ARTÍCULOS

Comportamiento iónico-pluvial en la cuenca del Cutuchi durante invierno y verano 2013

Ionic-pluvial behavior in the Cutuchi basin during winter and summer 2013

Mayorga Llerena, Eduardo Patricio

Eduardo Patricio Mayorga Llerena

emayorga@uce.edu.ec

Universidad Central del Ecuador. Quito. Ecuador

FIGEMPA: Investigación y Desarrollo

Universidad Central del Ecuador, Ecuador

ISSN: 1390-7042

ISSN-e: 2602-8484

Periodicidad: Semestral

vol. 1, núm. 1, 2016

revista.figempa@uce.edu.ec

Recepción: 06 Junio 2016

Aprobación: 04 Julio 2016

URL: http://portal.amelica.org/ameli/journal/624/62439426243942005/

DOI: https://doi.org/10.29166/revfig.v1i1.45

Autor de correspondencia: emayorga@uce.edu.ec

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Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución 4.0 Internacional.

Cómo citar:Mayorga Llerena, E. P. (2016). Comportamiento iónico-pluvial en la cuenca del Cutuchi durante invierno y verano 2013. FIGEMPA: Investigación y Desarrollo, 1(1), 45–52. https://doi.org/10.29166/revfig.v1i1.45

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Resumen: Las aguas de la cuenca del Cutuchi tienen una predominancia bicarbonatada por el pasado geológico del lugar; el objetivo de este trabajo fue caracterizar el comportamiento iónico de las aguas en función de la precipitación pluvial durante los períodos de invierno y verano del 2013; el estudio se ubicó en las coordenadas: UTM (WGS84) Zona 17S X:766806; Y:9867344.Se tomaron 16 muestras por triplicado cada/8 días, en la fase I (enero-marzo) y fase II (julio-agosto). Se analizaron: pH, CE, Temperatura, STD, Na+, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, CO₃ ²-, HCO₃ ⁻, Cl⁻, SO₄ ²⁻, B, bajo norma APHA/AWWA/WEF. Las aguas se ubican en las categorías C2 y C3 Como salinidad, la relación CE/RASorg determina aguas de clase C2-S1/C3-S1 y C3-S1 en fases I y II respectivamente, lo que permite concluir que las aguas de la cuenca del Cutuchi que aportan al canal Latacunga Salcedo Ambato se encuentran en riesgo alto de salinización. De igual forma, se concluye que aguas de la cuenca del Cutuchi contienen concentraciones de iones que corresponden a aguas bicarbonatadas cálcicas y/o magnésicas y que debido a la proporción de Bicarbonatos se generan cambios que son dependientes del nivel e intensidad de las lluvias tanto en la fase de verano como de invierno.

Palabras clave: salinidad, relación de adsorción de sodio, carbonatos y bicarbonatos.

Abstract: The waters of the basin Cutuchi have a predominance bicarbonate by the geological past of the place; The aim of this study was to characterize the behavior of ionic water depending on rainfall during the winter and summer periods of 2013; The study was located at coordinates: UTM (WGS84) Zone 17S X: 766806; Y: 9,867,344. 16 samples in triplicate each / 8 days, in Phase I (January-March) and Phase II (July-August) were taken. They were analyzed: pH, EC, temperature, STD, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, CO₃ ²⁻, HCO₃ ⁻, Cl⁻, SO₄ ²⁻, B, under APHA/AWWA/WEF. The waters are placed in categories C2 and C3 as salinity, EC / RASorg ratio determines water-S1 class C2 / C3 and C3-S1-S1en phases I and II respectively, leading to the conclusion that the waters of the basin contributing to the channel Cutuchi Salcedo Latacunga Ambato channel are at high risk of salinization. Similarly, it is concluded that water basin Cutuchi contain concentrations of ions corresponding to water Bicarbonate calcium and / or magnesium and due to the proportion of bicarbonates dependent changes in the level and intensity of rainfall generated both during summer and winter.

Keywords: salinity, sodium adsorption ratio, carbonates and bicarbonates.

INTRODUCCIÓN

Según Salomón [1], más del 70% del agua del río Cutuchi presenta mala calidad por la contaminación que se vierte en la cuenca, de acuerdo a la norma de agua para uso agrícola, y a pesar de conocer que el agua es un elemento fundamental para la vida, que el 80% del agua limpia se convierte en agua residual y su mal uso en la producción agropecuaria determina el deterioro de las condiciones de vida de la población rural, la misma que consume aproximadamente el 65% del recurso disponible [2]. No existe un estudio descriptivo que caracterice los componentes iónicos de la cuenca del Cutuchi y peor aún que correlacione con la pluviosidad en invierno-verano; en el Ecuador, gran parte de los suelos cultivables dependen de las condiciones climáticas en la zona centro del país; alrededor del 95,67% de las aguas provenientes de las Cuencas hidrográficas son caudales concesionados que se usan para riego [3], por lo que es imprescindible saber la influencia de la precipitación pluvial tanto en invierno como en época de estiaje, ya que el agua, y por ende sus componentes, es el elemento que restringe la producción agrícola, por lo que el interés por la demanda de agua para regadío es fundamental, pues su escasez genera dificultades para la vida del ser humano.

La cuenca del Cutuchi provee agua para regadío en especial al canal de riego Latacunga Salcedo Ambato a lo largo de aproximadamente 40 km, con un caudal de 4 500 a 5 200 litros s⁻¹, con lo cual se consigue regar alrededor de 6 287 hectáreas, abastece a 17 000 familias de los cantones de Latacunga, Salcedo, en Cotopaxi; Ambato y Píllaro en Tungurahua, cuyos cultivos predominantes son transitorios, como: cebada, habas, cebolla, maíz, hortalizas, papas y pastizales [4].

Aspectos teóricos

Los minerales en mayor proporción en las rocas ígneas son los silicatos (SiO₂) de Al³⁺, Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, el intemperismo libera estos iones, según la clasificación de Goldshmidt, los cationes adsorbidos por los coloides del suelo y su movilidad se colocan en la serie de Hofmeister: Li⁺>Na⁺>K⁺>Mg²⁺>Ca²⁺>Ba²⁺. El fundamento de la geoquímica formadora de las aguas en equilibrio con la fase líquida del suelo sobre la tierra está basado en la solución y extracción de los iones desde los minerales, en el transcurso de la meteorización, seguido por su precipitación y acumulación bajo condiciones específicas geográficas [5]. Los componentes mayoritarios que resultan de la lixiviación extracción se presentan en concentraciones ≥ 5 mgl⁻¹, los aniones de este grupo: HCO₃ ⁻ , Cl⁻, SO₄ ²⁻ y los cationes: Ca²⁺+ Mg²⁺+ Na⁺. Los componentes minoritarios se encuentran en concentraciones de 0,01 a 5 mg l⁻¹, los aniones de este grupo: NO₃ ⁻, NO₂ ⁻y CO₃ ²⁻, y los cationes: K⁺, Fe²⁺ y NH₄ ⁺ [6]. Los componentes trazas se definen aquellos cuyas concentraciones son inferiores a 0,1 mgl⁻¹, en este grupo se encuentran los siguientes iones: Br⁻, [B (OH)₄]⁻, PO₄ ³⁻, Mn²⁺, Al³⁺, As³⁺, Cr³⁺, Z²⁺, Ba²⁺.

La secuencia normal de evolución del agua subterránea de flujo regional en concentraciones de los iones, definida como agua ‘joven’ y de reciente infiltración, es:

HCO₃ ⁻> SO₄ ²⁻ > Cl-

Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na+

Debido al tiempo de residencia del agua en el acuífero se genera una evolución de la secuencia de los aniones, ya que los Cl⁻, SO₄ ²⁻ tienden a predominar; mientras que en el caso de cationes la inversión de la secuencia no necesariamente se desarrolla como inversión, este proceso de intercambio fue desarrollado por Chebotarev, nombre con la que se conoce actualmente la secuencia [7]. En esta interacción influyen variables como: tiempo de contacto, naturaleza del mineral por el cual atraviesa las aguas, condiciones del sistema como temperatura, presión, pH. etc. Por otro lado, los componentes del agua lluvia, no aportan sales en cantidades significativas a los suelos, pues presentan valores promedios de conductividad eléctrica 0,046 dS m⁻¹[8], por lo que cambios en la composición iónica en invierno-verano dependen de la relación de aporte del acuífero y de las variables, anteriormente mencionadas.

Estructura geológica de la cuenca del Cutuchi

Como la mayor parte del continente Americano, en la cuenca del Cutuchi se encuentran depósitos de suelo residuales formados por la meteorización, cenizas volcánicas, estos están constituidos por silicatos, vidrio volcánico, feldespatos, cuarzo, hornblenda, hiperestena, augita, magnetita, conforman acuíferos locales de permeabilidad alta, media y discontinuos que se descargan a través de los ejes de drenaje del Callejón Interandino por manantiales de alto rendimiento como el de Quillán con un caudal de 300 l/s [4][9].

Los suelos de la cuenca del Cutuchi corresponden al orden Inceptisoles con predominancia de la suborden Andepts por constituirse de cenizas volcánicas, [2], [6], los Inceptisoles están formados sobre rocas ígneas cuyo proceso de meteorización genera silicatos de Al³⁺, Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ [7]. La Hidrogeología del Cutuchi presenta una carga de iones que promedian una CE de 806 y 857 μS cm⁻¹[10], mientras que la precipitación pluvial es de 805mm anuales [11]. El volcán Cotopaxi con su casquete de forma cónica presenta un área de 12 ́676.566 m², con un espesor promedio de 50m, genera deshielos y drenajes en tres flancos importantes, al norte el río Pita, al sur el río Cutuchi, quebrada de saquimala, barrancas y río Alaquez que constituyen los aportes iniciales de la cuenca del Cutuchi, y al Oriente el Tamboyacu, y Tambo; la cuenca genera 1000MMC anuales debido fundamentalmente a su acuífero del Cutuchi, el mismo que se estima en 1.800 Hm³ [12][9].

Parámetros físico-químicos de las aguas

Para determinar la calidad de las aguas se analizan los siguientes parámetros físico-químicos: concentración de iones hidrógeno (pH), conductividad eléctrica (CE), carbonatos (CO₃ ²⁻) , bicarbonatos (HCO₃ ⁻), cloruros (Cl⁻), sulfatos (SO₄ ²⁻), sodio (Na⁺), potasio (K⁺), calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺), sales totales disueltas y fundamentalmente el índice: relación de adsorción de sodio (RAS) [13][14].

Na⁺= concentración de Na⁺ en el agua de riego (mmolc L⁻¹);

Ca²⁺= concentración de Ca²⁺ en el agua de riego (mmolc L⁻¹);

Mg²⁺= concentración de Mg²⁺ en el agua de riego (mmolc L⁻¹).

Carbonatos y bicarbonatos

Los iones bicarbonato remueven al calcio de la arcilla y dejan en su lugar al sodio, de esta manera un suelo regado con aguas con alto contenido de bicarbonatos tiende a intercambiarlo por el sodio, las especies vegetales difieren en su tolerancia al ion bicarbonato que afecta la absorción y el metabolismo [15][16] (ver tabla 1).

Tabla 1

Valores indicativos de bicarbonato para la calidad de agua de riego

[17][18]

Clasificación de las aguas para riego con base a la salinidad efectiva (SE)

Aceves [19] hace mención que este índice fue propuesto por Done en 1959, para sustraer de la salinidad total los carbonatos y sulfatos de calcio que precipitan fácilmente.

La SE es una estimación más real del peligro que presentan las sales solubles del agua de riego al formar parte de la solución del suelo; este proceso es más notable cuando las aguas tienen un alto contenido de carbonatos y bicarbonatos [20]. Se calcula la salinidad efectiva con los siguientes condicionales como se resume en la tabla 2:

Tabla 2

Condicionales de determinación de salinidad efectiva

[19][22]

Es una estimación más real del problema de la salinidad, pues contempla la precipitación probable de carbonatos de calcio, magnesio y sulfatos de calcio, lo cual disminuye el efecto sobre la presión osmótica, el efecto de las sales va a depender de su solubilidad y tendencia a precipitarse.

La salinidad efectiva es igual a la salinidad total menos los carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio. Todos los iones se expresan en mmolc L⁻¹, en la tabla 3. Se resume la clasificación de las aguas de regadío de acuerdo a la salinidad efectiva.

Tabla 3

Clasificación de aguas de regadío en base a la salinidad efectiva

[19]

Efectos probables del sodio sobre las características físicas del suelo

Cuando las aguas de riego contienen cantidades considerables de sodio en solución, este se acumula paulatinamente en el suelo y como consecuencia, el suelo se flocula y pierde su estructura, debido a esto, la permeabilidad del suelo al agua y aire disminuye, se favorece la formación de costras, todo lo cual afecta o impide el desarrollo normal de los cultivos.

Índice de Eaton o carbonato de sodio residual (CSR)

Indica la peligrosidad de sodio, una vez que han reaccionado los cationes Calcio y Magnesio con los aniones Carbonato y Bicarbonato, se calcula a partir de los valores obtenidos en el análisis, expresado en meq/ l.

El criterio para caracterizar aguas de riego, según este índice: no son buenas las aguas que contienen más de 2,5 meq l-1 y son buenas, si este contenido es inferior a 1,25 meq l⁻¹ [21], en la tabla 4 se resume la clasificación del agua según el CSR.

Tabla 4

Clasificación del agua según el CSR

MATERIALES Y MÉTODOS

Zona de estudio

El estudio se realizó en el Ecuador. En la figura 1 se grafica la cuenca del Cutuchi, su ubicación geográfica, estaciones INAMHI y coordenadas de muestreo.

Figura 1
Cuenca hidrográfica del río Cutuchi

Investigación de campo

La investigación se efectuó en dos fases. La primera fue entre los meses de enero y marzo del 2013 en época de lluvia y la segunda fase fue entre los meses de julio y agosto del 2013 en época de estiaje.

Parámetros analizados

Se determinaron en cada muestra de agua: pH, conductividad eléctrica (CE), temperatura, aniones (Calcio, Magnesio, Sodio y Potasio) y cationes (Carbonatos, Bicarbonatos, Cloruros y Sulfatos), Temperatura, STD, de acuerdo a los métodos APHA/ AWWA/WEF Standard Methods Nº 5220, métodos 4500-H+B, 2510 B, 3500 Ca D, 3500 Na K D, 2320 B, 4500 Ci B, 4500SO4 B, 2540 D y 2540 E, 1995) [23].

RESULTADOS Y DISCUSIONES

La composición promedio de los parámetros analizados del agua del canal LSA se presenta en gráficas siguientes: La relación Calcio-Magnesio en las fases de invierno y verano se observa en la figura 2.

Figura 2
Correlación entre la concentración de cationes Calcio y Magnesio en la cuenca del Cutuchi.

Pluviosidad de la cuenca del Cutuchi: Los valores en mm para el año 2013 se resumen en las tablas 5 y 6.

Tabla 5

Pluviosidad del 2013 en estaciones de INAMHI

Estaciones de INAMHI: Clirsen, Pastocalle y Aeropuerto Latacunga en los meses enero, febrero y marzo.

Tabla 6

Pluviosidad del 2013 en estaciones de INAMHI

estaciones de INAMHI: Clirsen, Universidad Técnica de Cotopaxi y Aeropuerto Latacunga en los meses julio y agosto.

INAMHI. Información proporcionada por Dra Janeth Cartagena

La precipitación pluvial de la cuenca del Cutuchi en sus fases I y II del año 2013 se esquematizan en la figura 3.

Figura 3
Relación pluvial en mm del año 2013(enero-marzo y julio-agosto) en la cuenca del Cutuchi

Figura 4
Relación entre la Conductividad Eléctrica y STD de las aguas cuenca del Cutuchi

Período enero-marzo y julio-agosto del 2013

El contenido total de sólidos disueltos en las soluciones está directamente relacionado con la conductividad eléctrica. En el presente caso, en las fases I y II la relación funcional entre la conductividad eléctrica y los sólidos totales disueltos fue de 637 y 688. En la figura 4 se grafica la relación de la CE vs la Concentración de Sólidos Totales Disueltos para la fase I como para la fase II (enero-marzo y julio-agosto 2013.

Composición iónica en las dos fases

Los datos promedios de la composición iónica de las fases I y II. (Tablas 7 y 8).

Tabla 7

Datos estadísticos de la composición iónica de las aguas del canal LSA fase I

Tabla 8

Datos estadísticos de la composición iónica de las aguas del canal LSA fase II

En la fase I, la concentración de cationes fueron de Ca²⁺>Na⁺>Mg²⁺ y de los aniones fueron de HCO₃>Cl>SO₄; mientras que en la fase II fueron de Mg²⁺>Na⁺>Ca²⁺ y de los aniones fueron de HCO₃ ²⁻>Cl⁻>SO₄ 2-

Existe la probabilidad de formar suelos sódicos y deteriorar la estructura física y química de los suelos [6].

Carbonato de sodio residual (CSR)

La composición aniónica de las aguas es importante desde el punto de vista agronómico, el CO₃ ²⁻ y HCO₃ – tienen una estrecha relación entre el agua de riego y el suelo, pueden precipitar o disolver CaCO₃ agravando o disminuyendo la peligrosidad por Na⁺. El exceso de HCO₃ ⁻ en el agua de riego causará una reacción alcalina en el suelo, debido a que precipita con los iones Ca²⁺ y Mg²⁺ formando los carbonatos respectivos, a medida que precipitan, aumenta la concentración relativa de Na⁺ y Mg²⁺, esta es la razón para que exista riesgo de sodificación del suelo, a pesar de que la cantidad presente de Na⁺ no ha variado [24] [25].

Los trabajos de Wilcox [26], demostraron que cuando se incrementa los valores de HCO₃ ⁻ en el agua, se incrementa la cantidad de CaCO₃ precipitada; esta precipitación es directamente proporcional al incremento del PSI en el suelo.

[14] cita a Eaton (1950), él reportó que aguas de riego con excesos de HCO₃ - en relación al Ca²⁺ y Mg²⁺, aumentaron el PSI del suelo y propuso tres términos para referirse a este incremento y son: porciento de sodio encontrado, porciento de sodio posible y carbonato de sodio residual. Los valores promedio de CSR de las aguas son: fase I = 1,4 CSR y fase II = 1,27 respectivamente, cuando el contenido se encuentra entre 1,25 y 2,5 meq.l⁻¹, se clasifican como dudosas para el riego y predomina la concentración de HCO₃ ⁻.

Los valores de CSR se detallan en la tabla 9.

Tabla 9

Clasificación de las aguas de acuerdo al índice de Carbonato de Sodio residual (CSR)

[14]

CONCLUSIONES

El río Cutuchi tiene una extensión de 11,77 km de longitud; el río Álaquez de 5,64 km; río Pumacunchi, de 9,04 km; y el río Yanayacu, cuyas aguas fluyen de este a oeste en un recorrido de 4,33 km; el río Cunuyacu en el mismo sentido y 3,40 km [28], todos aportantes de la cuenca del Cutuchi.

En este recorrido se genera un proceso de meteorización, seguido de una extracción de los iones, principalmente de Calcio, Magnesio y Sodio de los suelos de la cuenca, con caudales que alcanzan los 5 m³ s⁻¹ a la cota de 2640 m. La precipitación pluvial en la cuenca del Cutuchi, determinada en el presente estudio, concuerda con los datos bibliográficos [27], los meses de enero–marzo presentan una pluviosidad máxima que supera los 400 mm por mes; mientras que en los meses de Mayo-Agosto promedia los 50 mm, período en el cual los caudales son menores, valores mínimos de caudal se encuentran alrededor de 2 m³ s⁻¹, si se correlaciona la precipitación pluvial, se infiere que este caudal resulta del aporte mayoritario del acuífero, en mucha menor proporción de los deshielos del Cotopaxi y, en una mínima cantidad de las descargas de aguas grises que se vierten directamente en valores aproximados de 110 litros s⁻¹ [10][27].

Los Bicarbonatos provienen del lavado de rocas calizas y de la captación del CO₂ atmosférico, se encuentran en equilibrio con los carbonatos, en el período de estiaje se genera una precipitación del Calcio, como carbonato de calcio, entidad química que tiene un Kps=3.36×10⁻⁹ a 25°C, lo que determina que como Carbonato es muy poco soluble; mientras que el Carbonato de Magnesio es mucho más soluble con un pks = 6.82×10⁻⁶ a 25°C, la presencia mayoritaria de los iones Calcio y Bicarbonato en las aguas del río Cutuchi, determinan que constituyen aguas jóvenes, de infiltración reciente como se especifica en la secuencia de Chebotarev [6] [7] [10].

La proporcionalidad en concentraciones en meq.l⁻¹ (o molc.l⁻¹) de los iones Calcio Magnesio y Sodio en la fase invierno es de alrededor de 1,0:0,9:1,0 referidos al Sodio; mientras que en la fase de verano la proporcionalidad varía a 0,9:1,2:1,0 referidas al sodio. Las concentraciones de Sodio resultan semejantes, tanto en la fase de invierno como verano; mientras que existe una variabilidad descendente del Calcio por precipitación y una ascendente del Magnesio por concentración acumulativa dentro del acuífero y en el transcurso de las aguas superficiales debido a su pks, mil veces mayor con respecto al Calcio.

El Carbonato y Bicarbonato de Sodio son altamente solubles en agua por lo que, su concentración está más relacionada al tiempo de contacto en los ríos de la cuenca y en la medida que el análisis presente se desarrolló en las coordenadas UTM (WGS84) Zona 17S X:766806; Y:9867344, sus concentraciones, ya sea de Sodio Carbonato o Sodio Bicarbonato resultan análogas, por su amplia solubilidad.

Del análisis físico-químico, presentado en el presente estudio, se desprende que las aguas de la cuenca del Cutuchi que aportan al canal de riego Latacunga Salcedo Ambato y tomando en consideración, los índices de la relación RAS, Conductividad Eléctrica, se clasifican en la clase C3-S1, rango que determina que las aguas del canal LSA se encuentran en riesgo alto de salinización, lo que genera un daño a los suelos que irrigan estas aguas debido, principalmente por la composición iónica que resultan con alto porcentaje de Bicarbonatos, Calcio y Magnesio, con la posibilidad de generar a largo plazo, procesos de sodificación que afectarían al suelo y por ende a los cultivos en las zonas que se utilizan las aguas.

En época de estiaje existe una disminución del índice CSR. Los valores promedio de CSR de las aguas del canal LSA son: fase I = 1,4 CSR y fase II = 1,27 respectivamente, cuando el contenido se encuentra entre 1,25 y 2,5 meq.l⁻¹ las aguas son de dudosa aplicación para riego. Si se considera que en estiaje es el período de mayor necesidad para regadío, se puede concluir que es un atenuante saber que el CSR generaría una menor acumulación de los iones en el suelo; sin embargo la reducción no es suficiente para clasificarse en aguas buenas para riego, fundamentalmente porque el Ion Sodio se encuentra en proporciones similares tanto en la fase invierno como verano.

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Notas de autor

emayorga@uce.edu.ec