caracterizacion hidroquimica de los diferentes

UNIVER SIDAD DE CONCEPCIÓN
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA
10° CONGRESO GEOLÓGICO CHILENO 2003
CARACTERIZACION HIDROQUIMICA DE LOS DIFERENTES
ACUIFEROS DEL VALLE DEL RIO ACONCAGUA
VENEGAS, M.i, HELMS, F.2, ARQUEROS, R.1, FERNANDEZ C.1
1
Servicio Nacional de Geología y Minería, Avda. Santa María 0104, Stgo., Chile; [email protected]
Instituto Federal de Geociencias y Recursos Naturales (BGR), Stilleweg 2, 30655 Hannover, Alemania,
[email protected].
1
Servicio Nacional de Geología y Minería, Avda. Santa María 0104, Stgo., Chile; [email protected]
1
Servicio Nacional de Geología y Minería, Avda. Santa María 0104, Stgo., Chile; [email protected]
2
INTRODUCCIÓN
En el marco del proyecto “Levantamiento geoambiental del Valle del río Aconcagua” del
Servicio Nacional de Geología y Minería, se está realizando este estudio. La cuenca
hidrográfica del río Aconcagua está comprendida entre los paralelos 32º15’ y 33º30’ latitud
sur y entre los meridianos 69º59’ y 71º33’ longitud oeste. Su límite norte está constituido por
la divisoria de aguas entre la hoya del río Aconcagua y las del río La Ligua y esteros Quintero
y Catapilco. Su límite sur es la divisoria de aguas entre la hoya del río Aconcagua y las del río
Maipo y estero Marga – Marga. El límite este es la frontera internacional con la República
Argentina y el limite oeste es el mar de Chile. Está contenida totalmente en la V Región y
comprende las provincias de Quillota, San Felipe y Los Andes. El principal río de la cuenca
es el Aconcagua, formado por la confluencia de los ríos Juncal y Colorado a los 1.430 m
s.n.m (Von Igel, 1999). El río recibe aportes de diversos afluentes. Los de mayor importancia
son el río Putaendo y el estero Limache. Los principales centros urbanos tales como Los
Andes, San Felipe, Quillota, La Calera hoy en día se expanden de manera importante,
trayendo consigo un gran desarrollo económico en las industrias agrícolas y mineras, que
potencia de manera importante los posibles agentes contaminantes dentro de la cuenca del
Aconcagua.
OBJETIVOS
Los objetivos de este trabajo son determinar, mediante la aplicación de diversos métodos
estadísticos, las clases o tipos de aguas subterráneas y su distribución espacial dentro de la
cuenca y definir los factores que influyen en la composición del agua subterránea.
METODOLOGÍA
SELECCIÓN DE PARÁMETROS PARA ANÁLISISii
Para asegurar la buena calidad del muestreo y conseguir una buena aproximación en el tipo de
agua analizada, se aplicaron las mediciones de algunos parámetros in situ, tales como:
-) El pH, medido en terreno por posible alteración durante el transporte,
-) la temperatura que entrega información sobre la alteración de la muestra durante la
medición. Dentro del acuífero, la temperatura se mantiene entre los 10 y 13° C,
-) el contenido de oxígeno disuelto que puede determinar el rango del potencial redox
y la presencia de materia orgánica en descomposición y
Todas las contribuciones fueron proporcionados directamente por los autores y su contenido es de su exclusiva responsabilidad.
-) la conductividad eléctrica que permite una primera estimación de la proveniencia
del agua y de la época en que ingresó al acuífero.
El contenido relativo de algunos cationes y aniones es de gran utilidad para determinar la
clasificación de las aguas, en particular, según las concentraciones de los aniones
bicarbonato, sulfato, cloruro y nitrato se puede llegar a estimar la edad del agua (tiempo
transcurrido entre la infiltración y el muestreo), detectar posible intrusión de agua salada,
los efectos provocados por fertilizantes y materia orgánica descompuesta. Las
concentraciones de calcio, magnesio, sodio y potasio pueden entregar información sobre la
dureza y la proveniencia geoquímica.
Dependiendo de los contaminantes esperados y de los factores adicionales geoquímicos que
se desean detectar, se midieron una serie de elementos traza que normalmente provienen
del material del acuífero o de fluidos producidos por la meteorización o ascenso de aguas
hidrotermales. El hierro y el manganeso precipitan con mucha facilidad cuando el medio
pasa a ser oxidante, causando incrustaciones en ciertos niveles del suelo o algunas
instalaciones. El resto de los elementos traza son aniones y metales que indican la presencia
de contaminantes. Por ejemplo el boro proviene frecuentemente de derrames de tubos para
aguas servidas (compuestos de boro son aditivos en detergentes), el fosfato indica
contaminaciones fecales o debido a fertilizantes, el cobre, zinc, vanadio, molibdeno, niquel
y cobalto son típicos de la industria minera o del procesamiento de metales.
METODOLOGÍA ESPECÍFICA
Dentro del proyecto se realizó un muestreo general a lo largo de toda la cuenca; que
consistió en las mediciones de niveles en 48 pozos profundos y 66 norias, y toma de
muestras de agua para análisis químicos. Se tomaron muestras en botellas de un litro para
análisis de elementos mayores y en botellas de 250cc para análisis de elementos traza. En el
laboratorio del Sernageomin, se determinó el contenido de los principales cationes Ca+2,
Na+, K+, Mg+2 y aniones HCO3-, SO4-2, Cl- y NO3-, y algunos elementos traza como F, Be,
Ba, Mn, Li, Si, Cu, Co, Ni, Cr, V, etc. para la posterior clasificación de las aguas.
EVALUACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS DATOS ANALÍTICOS Y ESPACIALES
Los análisis químicos fueron sometidos a una selección de procesos estadísticos con el fin
de distinguir grupos o clases que pertenezcan a una zona o a un acuífero en particular, y
determinar así los factores que influyen en la composición del agua. Los procesos son
a) Prueba “Kolmogorov - Smirnoff” para determinar si el parámetro respectivo
sigue o no una distribución normal.
b) Prueba “Students t” para determinar si dos conjuntos de datos (pozos profundos y
norias) siguen la misma distribución, y por lo tanto, debe tratárseles como miembros del
mismo grupo.
c) Test de discriminación para detectar los parámetros que diferencian los distintos
grupos y determinar a que grupo pertenece cada muestra.
d) Análisis de correlación para definir los conjuntos de parámetros que son
linealmente dependientes.
e) Análisis factorial para determinar los factores determinantes que agrupan y
establecen gran parte de la variancia total de un grupo de muestras descritas por muchas
variables. Se define cada parámetro de análisis como una dimensión de un espacio
euclidiano, y sus correlaciones pueden interpretarse como ejes afines (con diferentes
interdependencias lineales) dentro de este espacio. Con la determinación de los valores de
la matriz de correlación se puede construir un sistema de “coordenadas” ortogonales que
representan un conjunto de factores linealmente independientes, con la mejor correlación
entre los parámetros conocidos. Así los factores más significantes corresponden a una
correlación mayor a 1. La interpretación de los factores puede efectuarse a través de lo que
tienen en común los parámetros que correlacionan bien con ellos.
f) Análisis Cluster para definir subgrupos entre los pozos profundos y las norias. Este
método también trabaja en el espacio euclidiano multidimensional, y cada
parámetro define una dimensión. Una muestra es representada por un punto en este
espacio y tiene una distancia euclidiana con cada una de las otras muestras. Pueden
formarse subgrupos de puntos con poca o mucha distancia entre ellos. Estos son los
“cluster” que pueden indicar propiedades comunes como un acuífero o una
contaminación que afectó a todas las muestras del subgrupo.
g) Comprobación de la distribución espacial de los subgrupos, determinados a partir
del análisis cluster y el test de discriminación.
RESULTADOS
CLASIFICACIÓN DE AGUAS
Para la clasificación de las aguas se utilizaron los Diagramas de Piper, analizando
separadamente las muestras pertenecientes a 48 pozos profundos y a 66 norias.
Las muestras para cada caso se agruparon en seis grupos: Aconcagua 1, 2 y 3; Putaendo, El
Cobre y Catemu.
El diagrama de Piper (figura 1) para los pozos profundos, presenta un aumento de los
contenidos de calcio y magnesio, desde las nacientes en el sector de Aconcagua 1 hasta la
desembocadura en el mar, en Aconcagua 3. Los contenidos de sodio y potasio se
mantienen, en general, constantes. Por otra parte, el contenido de sulfato es claramente
dominante por sobre el contenido de cloruro y bicarbonato. Con respecto al Total de
Sólidos Disueltos (TSD), se observa que la mayor salinización se ubica en el sector
denominado El Cobre.
Figura 1: Diagrama de Piper para pozos profundos
El diagrama de Piper para las norias (figura 2), muestra que tienen una composición similar
a las aguas de los pozos profundos, es decir, presentan gran cantidad de calcio y medianos
contenidos de sodio y potasio.
El contenido de sulfato va en aumento a medida que las aguas confluyen hacia el mar. Los
cloruros se mantienen, en general, constantes a lo largo de toda la cuenca.
En estas aguas el TSD aumenta considerablemente con respecto a las aguas de los pozos
profundos; lo que se explica por la probable mezcla con fertilizantes y productos de la
industria minera que interactúan fácilmente con las aguas subsuperficiales de las norias.
Además, en este grupo se encuentra la muestra con el más alto contenido de TSD, el que
supera los 838 mg/l.
Figura 2: Diagrama de Piper para norias
EDAD DE LAS AGUAS ANALIZADAS
Existen algunos parámetros que permiten estimar de manera relativa el tiempo transcurrido
entre la infiltración de un agua y el momento actual. Un elevado TSD, es decir, una elevada
conductividad eléctrica generada por la gran cantidad de especies disueltas podría indicar
que un agua ha estado almacenada durante mucho tiempo.
La evolución natural del agua dentro de una cuenca está marcada comúnmente por el
intercambio de iones, que implica que las aguas pasan de bicarbonatadas a sulfatadas y a
cloruradas. Esto implica que un agua con alto contenido de bicarbonato es probablemente
más joven que un agua con mucho sulfato, la que a su vez es más joven que una con
grandes concentraciones de cloruro.
En el caso de los cationes, la presencia de un exceso de potasio indica un agua joven,
debido a que la interacción del agua con materiales arcillosos, con alta capacidad de
intercambio iónico, variarán la composición química del agua, llegando a encontrar razones
sodio : potasio>7:1.
Las aguas del valle del río Aconcagua, en general, presentan un alto contenido de sulfato y
bicarbonato que participan de manera importante en la meteorización de los suelos y rocas,
y aumentan significativamente el contenido de sólidos disueltos en el agua.
Particularmente, las muestras obtenidas de vertientes, presentan en promedio un TSD de
450 mg/l, dentro de los cuales 180 mg/l corresponden a sulfato y 190mg/l a bicarbonato.
Incluso la razón Na/K es mayor que 50:1. Considerando que la última lluvia antes de la
campaña de muestreo de las vertientes, fue hace seis meses, entonces se tiene una edad
mínima para esta agua, y el elevado contenido de sulfato en estas muestras, hace probable
que la edad de esta agua sea mucho mayor aún.
La composición de las aguas subterráneas ya sea provenientes de pozos profundos o de
norias, dependerá mucho de la zona del valle en la cual se encuentra o de los tributarios a
los cuales pertenece. Como se explica más adelante, el contenido de sulfato no proviene,
necesariamente, del intercambio natural de iones, puede provenir de una fuente
contaminante, como por ejemplo, las aguas en el valle del estero El Cobre, presentan una
cantidad de sulfato que puede ser aportada por la minería o por los depósitos de sulfuros de
cobre, ubicados en la zona.
En general, la distribución de sulfato y de sólidos disueltos dentro de la cuenca, entrega
gran cantidad de aguas “viejas” en los acuíferos porosos del eje del valle principal y aguas
más jóvenes con un TSD menor que 500 mg/l, en los valles tributarios del río Aconcagua
(figura3).
Además, en los valles tributarios como Putaendo, Catemu, Pocuro, y cerca del límite del
valle entre Los Andes y San Felipe, las aguas de los pozos profundos, presentan mayor
cantidad de bicarbonato que sulfato.
Definir de manera clara las edades entre las aguas de norias y las de pozos profundos, no es
posible, sólo puede observarse que el TSD y el contenido de iones en ambos grupos es
similar.
Figura 3: Ubicación pozos profundos y norias según el contenido de TSD. Se indican además, las diferentes
zonas dentro del valle.
TIPOS HIDROQUÍMICOS Y SU DISTRIBUCIÓN ESPACIAL
El análisis factorial y el análisis de Cluster efectuado con todos los parámetros, tales como
los iones mayores (normalizados por el TSD), los elementos traza, el TSD y el pH obtenido
del laboratorio entregaron los 5 factores más importantes, que podrían explicar las
diferentes concentraciones de elementos presentes en la cuenca y que tienen correlaciones
mayores que 1, se describen en la siguiente tabla:
Factor
Correlación Correlación Distribución espacial
negativa
positiva
Ca, Sr
Razón Ca/Mg < 3, en los valles Catemu,
Roca adyacente Mg
El Cobre y Llay - llay.
varia las
Razón Ca/Mg > 5, en el valle principal y
concentraciones
el valle Putaendo.
de las tierras
alcalinas
Edad de aguas
K, HCO3
SO4, TSD, Mayores edades en el eje del valle
Cl, K
principal, menores en los tributarios y en
el límite de la cuenca
Aporte de aguas
Li, As, Na, Tres vertientes; dos cerca del estero
termales
B, V, F, pH Pocuro, una al este del estero El Cobre.
Arealmente bajas concentraciones en
pozos profundos mal definidas.
Fertilizantes
K, PO4, Cl, Exclusivamente en norias en el eje del
industriales
Ba (poco)
valle principal entre Llay - llay y La
Calera.
Mn, Ni, Cu, En el valle El Cobre.
Minería
y
SO4, TSD
depósitos
de
sulfuros
de
metales
Tabla 1: Posibles factores que explicarían las diferentes concentraciones en el valle
Los grupos obtenidos del análisis Cluster corresponden a los factores y a la distribución
espacial descrita en la tabla 1. Los gráficos 1 y 2 demuestran las posiciones de estos grupos
en la red UTM correspondiente al mapa topográfico 1:100.000, según se trate de pozos
profundos (gráfico 1) y norias (gráfico 2).
Las propiedades químicas de estos grupos son las siguientes:
POZOS PROFUNDOS
Pozos 1:
Exceso de calcio y estroncio.
Pozos 1a:
Exceso de calcio, mucho estroncio y alto TSD.
Pozos 1b:
Exceso de calcio y estroncio, mucho bicarbonato, poco sulfato y bajo TSD.
Pozos 2:
Exceso de magnesio y mucha sílice.
Pozos 3:
Pozos 4:
Pozos r:
Exceso de magnesio, mucho sulfato, cloruro y zinc, poco bicarbonato, y alto
TSD.
Exceso de magnesio, mucho bicarbonato, sodio y potasio, mucho hierro,
sílice y flúor y bajo TSD.
Los pozos que no pertenecen a ningún grupo.
Pozos profundos
6390000
6380000
6370000
6360000
6350000
280000 290000 300000
pozos1a
pozos1b
310000
pozos1
320000 330000 340000 350000 360000
pozos2
pozos3
pozos4
pozosr
Gráfico 1: Grupos de muestras de pozos profundos con las mismas características químicas.
NORIAS
Norias 1:
Norias 1a:
Norias 1b:
Norias 2:
Norias 3:
Norias 4:
Norias 5:
Norias r:
Razón calcio magnesio aprox. 4/1, normal. Mucho potasio y bicarbonato,
poco sulfato.
Exceso de calcio y estroncio, mucho potasio, cobre y boro.
Razón calcio magnesio aprox. 3/1, normal, mucha sílice.
Exceso de calcio, mucho bicarbonato, manganeso, boro y fosfato, poco
sulfato y cloruro.
Exceso de magnesio, mucho sulfato y cloruro, poco bicarbonato y estroncio.
Exceso fuerte de magnesio, mucho sodio, nitrato sílice y flúor.
Mucho boro, sílice y fosfato y alto TSD.
Las norias que no pertenecen a ningún grupo.
Norias
6390000
6380000
6370000
6360000
6350000
280000 290000 300000 310000
norias1a
norias1b
norias1
320000 330000 340000 350000 360000
norias2
norias3
norias4
norias5
noriasr
Gráfico 2: Grupos de muestras de norias con las mismas características químicas
Vertientes:
Exceso de calcio, mucho sodio, manganeso, cobre, boro, arsénico y flúor.
Poco magnesio, potasio, cloruro y nitrato.
NORMAS CHILENAS PARA AGUA POTABLE Y DE RIEGO
Es importante destacar que actualmente existen algunas muestras dentro de la cuenca que
sobrepasan las Normas Chilenas para agua potable y para agua de riego.
Según el contenido natural de sólidos disueltos, existen 51 muestras que sobrepasan la
norma chilena para riego, que es 500 mg/l (NCh 1333). El máximo valor medido dentro de
la cuenca fue de 1.113mg/l, que supera considerablemente el límite aceptado para riego,
para el contenido de TSD. El valor promedio de TSD de todas las muestras analizadas fue
de 467 mg/l, que está muy cerca de sobrepasar la norma. Esto ocurre en el estero El Cobre
en el tramo del río principal entre San Felipe y Quillota.
La norma chilena para agua potable (NCh 409), y para riego (NCh1333) tiene como valor
máximo para el sulfato, 250 mg/l. Los análisis entregan 9 muestras que sobrepasan este
valor. Además el promedio calculado en estas muestras fue de 141 mg/l y el máximo valor
fue de 704mg/l, ubicado en el sector de el estero El Cobre.
Desde el punto de vista del nitrato, 14 muestras sobrepasan la norma chilena para agua
potable, cuyo límite es 10 mg/l. El máximo valor es de 29,9 mg/l de N /NO3 y se presenta
sólo en norias.
El manganeso es superado 7 veces para ambas normas. El máximo valor es de 3,1 mg/l y
los límites son para NCh409 = 0,1 y para NCh1333 = 0,2.
El cobre supera la norma para riego, con un valor máximo de0,36 mg/l y un límite de
0,2mg/l.
CONCLUSIONES
La clasificación de las aguas de la cuenca del río Aconcagua, se analizó separándolas en
aguas de pozos profundos y de norias. Las aguas correspondientes a los pozos profundos
presentan un claro aumento en el contenido de calcio y magnesio, desde las nacientes del
río Aconcagua, en el sector de Los Andes – San Felipe, hasta la desembocadura en el mar,
en el sector de Concón. Los contenidos de sodio y potasio de estas aguas, son medios, en
casi toda la cuenca y las concentraciones de sulfato superan fuertemente a las de cloruro y
bicarbonato, en especial en la zona de El Cobre, donde también existe el mayor contenido
de sólidos disueltos y de magnesio.
Las aguas correspondientes a las norias presentan una composición bastante similar a las
aguas de los pozos profundos, considerando las concentraciones de los elementos mayores,
el sulfato aumenta hacia el oeste de la cuenca, sin embargo, el TSD de las norias es mucho
mayor que el de pozos profundos, considerando las concentraciones de los elementos traza,
debido a una posible mezcla con fertilizantes y diversos productos utilizados por la minería.
Esto ocurre en las norias, producto de la someridad del nivel freático.
Las aguas del valle del río Aconcagua presentan una contaminación que es considerable, al
superar las normas chilenas para agua potable y para agua de riego, debido a
contaminaciones naturales, como el contenido de sólidos disueltos y a contaminaciones
ligadas directamente al impacto antrópico. Esto es un factor preocupante, tomando en
cuenta que la zona está en potencial crecimiento.
REFERENCIAS
Custodio, E. Llamas, M., 1996. “Hidrología subterránea”. Tomos I y II. Ediciones Omega, S.A. – Plató, 26 –
Barcelona-6.
Von Igel, W., 1999. “Redefinición de la red de monitoreo de calidad de agua subterránea en el Valle del
Aconcagua”. Memoria para optar ala título de Geólogo. Universidad de Chile. Facultad de Ciencias Físicas y
Matemáticas. Departamento de Geología. Santiago. Chile. 89pp.