XXIII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HIDRÍCOS
ANÁLISIS HIDROGEOQUÍMICO MULTIVARIADO DEL AGUA SUBTERRÁNEA DEL SISTEMA ACUÍFERO DUNAS – PÉCEM, CEARÁ.
L. González1; B. Mesquita2; C. Vidal3 & M. Santiago4
RESUMEN – Este trabajo está siendo desarrollado en el distrito de Pecém (São Gonçalo do Amarante, Ceará) en una región incluida en el denominado Polígono de las Secas, que presenta un régimen pluviométrico marcado por extrema irregularidad de lluvias, en tiempo y espacio. Fueron recolectadas muestras de 33 pozos, en dos campañas; para análisis de la concentración de los iones mayores y medidas isotópicas. Las medidas de pH revelan aguas ácidas con valores de hasta 6.0 y la mayoría de los datos hidroquímicos muestran aguas químicamente adecuadas para el consumo humano. Los resultados de las medidas de conductividad eléctrica muestran valores menores que 800 μS/cm en 31 de los 33 pozos muestreados. Las concentraciones de los cationes y de los aniones de los elementos más grandes presentes en el agua, en las dos colectas, indicaron aguas del tipo cloruradas sódicas en la mayoría de ellas. Los valores medios de conductividad eléctrica en la primera colecta 434 μS/cm y en la segunda colecta 260 μS/cm muestran proceso de dilución en las aguas subterráneas provocado por la recarga con agua de lluvia indicada también por los valores de pH. Las relaciones δ18O - δD evidenciaron procesos de evaporación.
ABSTRACT– This work is being developed in the district of Pecém (Brazil) in a region included in the so called Polygon of Droughts, which presents a pluviometric regime marked by extreme irregularity of rains, in time and space. Two samples of 33 wells were collected in two campaigns for analysis of the concentration of major ions and isotopic measurements. The pH measurements reveal acid waters with values of up to 6.0 and most of the hydrochemical data show waters chemically suitable for human consumption. The results of the electrical conductivity measurements show values lower than 800 μS/cm in 31 of the 33 wells sampled. The concentrations of the cations and anions of the largest elements present in the water, in the two collections, indicated waters of the sodium chloride type in most of them. The average values of electrical conductivity in the first collection 434 μS/cm and in the second collection 260 μS/cm show dilution process in the groundwater caused by the recharge with rainwater also indicated by the pH values. The δ18O - δD ratios showed evaporation processes.
Palabras-Clave – Oxígeno-18 y Deuterio, acuífero costero.
INTRODUCCIÓN – Las aguas dulces del mundo constituyen un recurso escaso, amenazado y en peligro. De acuerdo con los estudios sobre los balances hídricos del planeta solamente el 0.007%
de las aguas dulces se encuentran realmente disponibles a todos los usos humanos directos. De esta
especialistas y organizaciones internacionales conectadas con los problemas del agua, sugieren que para el año 2025 más de las dos terceras partes de la humanidad sufrirá algún estrés por la falta de este líquido (L’vovich et al, 1990; Simonovic, 2000)
En Brasil, los problemas de abastecimiento de agua en las áreas metropolitanas se derivan básicamente de dos circunstancias: (1) en las cuencas situadas en grandes centros urbanos e industriales, el 90% del volumen de las aguas residuales y el 70% de los efluentes industriales se lanzan sin tratamiento en los ríos. Además, el 99% de los casi 90 millones de toneladas/año de residuos urbanos están dispuestos en el suelo en forma de vertederos y basurales; (2) en el ámbito del semiárido, la degradación de la calidad del suelo se agrava por el clima, que genera insuficiencia periódica de las disponibilidades hídricas frente a la creciente demanda (Rebouças, 1996).
En el Nordeste los estudios fueron motivados por la sequía y salinización de las aguas, apoyados por la Superintendencia del Desarrollo del Nordeste (SUDENE), e inicialmente tenían como objetivos el conocimiento del origen y de los mecanismos de recarga de los acuíferos, la causa de la salinización, el tiempo de tránsito y la datación de estos acuíferos (Gat et al., 1968; Salati et al., 1979).
El objetivo de este trabajo es identificar la calidad de las aguas subterráneas, los procesos de salinización y la eficiencia de la recarga del acuífero, utilizando medidas isotópicas de Oxígeno-18 y de Deuterio, análisis físico-químicos y medidas de concentración de los iones mayores, en un conjunto de muestras recogidas en 33 pozos tubulares, muestreados en dos colectas en el municipio de São Gonçalo do Amarante, en el estado de Ceará (Brasil), cerca del Puerto de Pecém, una terminal portuaria de la costa del Nordeste brasileño, localizada en un accidente geográfico denominado
"Punta de Pecém", se utilizaron los diagramas de Gibbs, las razones iónicas y con el auxilio de análisis estadísticos de agrupamiento, las muestras con mismas características hidroquímicas fueron agrupadas.
METODOLOGÍA
1. Área: El municipio de São Gonçalo do Amarante se sitúa en la porción norte del estado de Ceará (Brasil) (Figura 1), en un área de 834.448 km2, limitando con los municipios de Trairi, Paraipaba, Caucaia, Paracuru, San Luis del Curu y Pentecostés y es bañado por el
Figura 1 –Ubicación del municipio de São Gonçalo do Amarante, Ceará, Brasil.
El clima en São Gonçalo do Amarante es tropical lluvioso, caliente y húmedo, con lluvias de verano y otoño (Souza, 2002; Koppen, 1948). Hay mucho menos pluviosidad en el invierno que en el verano; el promedio anual es de 1076 mm y el mes más seco tiene una diferencia de precipitación de 265 mm en relación al mes más lluvioso. Octubre es el mes más seco con 3 mm y 268 mm es el promedio en el mes de marzo que es el de mayor precipitación (Figura 2). La temperatura media anual en São Gonçalo do Amarante es de 26,5 0C; durante el año varía 1,7 0C con la más alta en diciembre con 27,3 0C, el mes más cálido y el más bajo es de 25,6 0C en julio (Nogueira, 2005).
Según Cavalcante et. al, 2011 El área posee cuatro sistemas hidrogeológicos: Medio Cristalino (Rocas ígneas plutónicas metamórficas), Barreras (Clásicos variados, con predominio de silto-argilo-arenosos), Dunas (Sedimentos silto-arenosos) y Aluviones (Clásticos variables).
En el Sistema Hidrogeológico Cristalino, o Fissural, la profundidad media de los pozos es de 60m. La recarga de las aguas proviene de la contribución pluviométrica directa, siempre que existan limitaciones de exposiciones con fracturas abiertas, drenajes y espejos de agua (lagunas y vertederos) asociados a las fracturas, y de las unidades acuosas superpuestas.
São Gonçalo do Amarante Ceará, Brasil
Figura 2. Histograma de lluvias del estado de Ceará para los últimos tres años.
El Sistema Hidrogeológico Barreras se caracteriza por expresiva variación vertical de niveles clásticos con diferentes porosidades y permeabilidades, que se traducen en potencialidades características de un acuitardo, pero, en observaciones directas en las áreas utilizadas para extracción de arena, se observa, por lo menos superficialmente, la predominancia de niveles areno-limosos, lo que mejora la configuración de este sistema como acuífero.
El Sistema Acuífero Dunas es libre, freático, siendo compuesto por arenas poco consolidadas y extremadamente homogéneas, finas y medias, con diámetro efectivo predominante de 0,15 a 0,25 mm, espesores de sedimentos entre 10 - 25 m, nivel estático medio de 4 m y espesores saturados oscilando de 7 a 12 m, e indiscutiblemente constituye el mejor potencial hidrogeológico del área.
Los depósitos aluviales representan, en general, una buena alternativa como manantial, teniendo una importancia relativa desde el punto de vista hidrogeológico.
Debido a las altas permeabilidades, incluso con pequeños espesores, ellos llegan a producir caudales bastante significativos. La recarga proviene directamente de la precipitación pluviométrica, de los ríos influyentes y de las aguas subterráneas de las Dunas y Barreras.
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic 0
50 100 150 200 250 300 350 400
Cantidad de lluvias (mm)
Mes
2016 2017 2018
las conductividades eléctricas en las muestras de todos los pozos en las dos colectas muestran diferencias entre los pozos, pero pequeñas variaciones en cada una de ellas.
Las medidas de Conductividad Eléctrica y pH se realizaron en campo, utilizando un conductivímetro y un pH-metro portátiles. Las concentraciones de silica (SiO2) y de los elementos más grandes, los cationes Ca2+, Mg2+, Na+ y K+, y los aniones Cl-, SO42- , HCO3- y NO3- se midieron en el Laboratorio de Hidroquímica del Departamento de Física de la Universidade Federal do Ceará (UFC) siguiendo metodologías de los métodos estándar (APHA, 2005).
Los análisis de los isótopos oxígeno-18 y deuterio se realizaron en el Departamento de Física de la UFC con un equipo de Picarro (Picarro Inc., Sunnyvale CA, USA), modelo L2130- i, con precisión de 0.10 ‰ para δ18O y 1.0‰ para δD que utiliza la espectroscopia de cavidad resonante del tipo ring-down (CRDS) que es una técnica basada en la absorción óptica lineal a láser, donde una muestra de gas se introduce en una cavidad óptica de alta sofisticación y la absorbancia óptica de la muestra se mide, proporcionando la concentración o medidas de la razón isotópica de una especie de gas (Crosson, 1999; Lehmann y Romanini, 1996; Spence et al., 2000; Zalicki & Zare, 1995).
Para clasificar las aguas en cuanto a los cationes y aniones predominantes se utilizaron diagramas de Piper, construidos a partir del software OriginPro 9.1.
La identificación de los grupos, en el conjunto de muestras de cada colecta, fue hecha por la técnica de la estadística multivariada, a través del análisis de agrupamiento jerárquico o dendrogramas, utilizando el software OriginPro 9.1. El método de agrupamiento empleado fue el de Ward (1963) por su eficiencia en combinar grupos de tamaños aproximadamente iguales, debido a su minimización de la variación interna (Hair et al., 2009).
En este método, la agrupación se realiza a partir del análisis de varianza para determinar el grado de similitud entre los grupos que, formados en cada etapa, resultan el grupo solución con la menor suma de cuadrados, hecha sobre todas las variables (Sharma, 1996). Para calcular la similitud entre los pozos, se utilizó la distancia euclidiana, medida de distancia más frecuentemente empleada cuando todas las variables son cuantitativas (Seidel et al., 2008). La
𝑑
𝑖𝑗= √∑
𝑝𝑘=1(𝑧
𝑖𝑘+ 𝑧
𝑗𝑘)
(1)Donde, Zik es la k-ésima característica del i-ésimo individuo y Zjk es la k-ésima característica del j-ésimo individuo. Cuanto menor sea a la distancia euclidiana, más similares son los objetos comparados.
Para obtener información sobre mecanismos naturales que controlan la química de las aguas se utilizaron gráficos de razones iónicas y diagramas de Gibbs (1970), que propuso la construcción de STD versus Na/(Na + Ca) y STD versus Cl/(Cl + HCO3) para identificar áreas donde dominan tres mecanismos: i) precipitación atmosférica, ii) intemperismo de rocas y iii) evaporación y cristalización fraccionada.
RESULTADOS – El análisis de agrupamiento fue realizado considerando las concentraciones, de calcio, magnesio, sodio, potasio, cloruro, bicarbonato, sulfato y nitrato. Los resultados de los análisis de agrupamiento de las muestras en las dos colectas están presentados por los dendrogramas de la Figura 3. Ellos muestran que los pozos se combinan en dos grupos grandes: el Grupo 1 (G1), de las aguas con más baja salinidad (105,4 a 302,0 μS/cm); y el Grupo 2 (G2), de las aguas más salinas (344 a 1044 μS/cm). En la separación de los grupos, la conductividad eléctrica fue el parámetro predominante; la Figura 4 muestra sus valores de las muestras recogidas en las dos campañas, asociadas a los grupos formados.
1000 2000
Distancia
G2 G1
La conductividad eléctrica que mide la concentración de sales disueltos en el agua varía de 105,4 a 1044 μS/cm para los pozos muestreados en Pecém como se muestra en la Figura 4. Los resultados muestran que 1 de los 33 pocillos tienen valores mayores que 800 μS/cm en el caso de las aguas de alta salinidad; mientras que las otras 32 muestras presentan valores de conductividad inferiores a 800 μS/cm. En general, las muestras de agua subterránea con valores de conductividad elevados forman parte de sistemas de circulación más profunda y con mayor tiempo de tránsito.
Figura 4. Conductividad eléctrica de los valores medios de las dos campañas.
En el diagrama de Piper de la Figura 5; se constata que 28 de las 33 muestras son de aguas del tipo sódicas cloruradas, una muestra de aguas del tipo sódica mixta, una muestra de aguas del tipo cálcica bicarbonatada, una muestra de aguas del tipo magnesiana clorurada, una muestra de aguas del tipo clorurada mixta y una muestra de aguas del tipo sulfatada mixta. Los diagramas de Gibbs con datos de cationes y datos de aniones del área muestran la diferencia entre los niveles de salinidad y de los procesos de salinización.
1 26 3 30 29 27 31 2
28 32 4
33 34 5 12 6 25 8 7
24 17 15 14 13 9
18 20 19 10 11 16 21 22 -- 0
200 400 600 800 1000
G2
Condutividad Eléctrica (S/m)
Pozo G1
100 80 60 40 20 0
100 80
60 40
20 0
Cl+S
O4 Ca
+Mg
40 60
80 100
0 20
40 60
80
Mg
Na+K
40 60 80 0 100
20 40 60
SO
4
CO +HCO3
3
En los diagramas de Gibbs (Figura 6) la mayoría de las muestras están en el rango de interacción de agua de roca.
Figura 6. Diagramas de Gibbs, Sólidos Totales Disueltos versus razón Na/(Na + Ca) y Sólidos Totales Disueltos versus razón Cl-/(Cl- + HCO3-)
Acompañando el agua de recarga a partir de la formación de las lluvias hasta alcanzar los acuíferos son identificados diferentes procesos de adquisición de sales disueltas en las aguas. Durante la precipitación pluviométrica, el agua de lluvia disuelve dióxido de carbono (H2O + CO2 H2CO3) y haciéndose ácida; el ácido carbónico parcialmente ionizado (H2CO3 H+ + HCO3-) deja el agua bicarbonata.
El agua de lluvia lleva aerosoles, abundantes en el área costera, que en ausencia de acción antrópica tiene origen evaporación del agua del mar teniendo entonces como iones más abundantes Na+, Mg2+ e Cl-. Trabajo de Nordemannet al. (1989) encontró en las lluvias en el litoral de Fortaleza, los valores medios anuales ponderados, en µe/L, de Cl- = 19,46; Na+ = 13,93; Ca2+ = 11,48; SO42-
= 8,33 e Mg2+ = 4,11.
Durante la recarga en los suelos con presencia de carbonatos, el agua de lluvia ácida disuelve los carbonatos (H2O + H+ + HCO3- + CaCO3 Ca2+ + 2HCO3- + H2O aumentando la concentración de bicarbonato. La mezcla con agua clorada sódica presente en el suelo saturado puede inducir intercambios iónicos con los que se producen NaHCO3 e CaCl2.
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1 10 100 1000 10000 100000
rNa/(rNa+rCa) lluvia
roca
evaporación-precipitación evaporación
STD (mg/L)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1 10 100 1000 10000 100000
STD (mg/L)
rCl/(rCl+rHCO3) lluvia
roca evaporación-precipitación
evaporación
Figura 8. Comparación de los valores de δ18O y δD para las muestras recolectadas con la recta meteórica mundial.
En la Figura 8 las dos rectas presentan un coeficiente angular menor en relación a la Recta Meteórica Mundial (RMM): δD = 8δ18O + 10, indicando fraccionamiento isotópico debido a la evaporación.
CONCLUSIONES
El análisis de agrupamiento de los datos identificó la separación de los pozos en dos grupos con dos distintas franjas de salinidad, baja (105 a 302 S/cm) y alta (344 a 1044 S/cm). Los diagramas de Piper clasificaron las aguas predominantemente como cloruradas sódicas.
REFERENCIAS
CAVALCANTE, I. N.; DE MORAIS, J. B. A.; DE SOUSA, V. P.; DE ARAÚJO, K. V.;
GOMES, M. D. C. R.; MATTA, M. A. D. S. 2011. As águas subterrâneas de São Gonçalo do Amarante, faixa costeira oeste da região metropolitana de Fortaleza-Ceará. Águas Subterrâneas
CLARK, I. D. 1997. Tracing the hydrological cycle. Environmental isotopes in hydrogeology, 35-61.
COOK, P. G.; HERCZEG, A. L. (Eds.). 2012. Environmental tracers in subsurface hydrology.
Springer Science & Business Media.
CROSSON, E. R. (2008). WS-CRDS: Precision trace gas analysis and simplified stable isotope measurements. American laboratory, 40(20).
FEDERATION, W. E.; AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION. 2005. Standard methods for the examination of water and wastewater. American Public Health Association (APHA):
-8 -6 -4 -2 0 2 4
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
RMM 2H= 8 20
2H= 4,80
R
18O ( ‰)
D ( ‰)
A
GIBBS, R. J. 1970. Mechanisms controlling world water chemistry. Science, 170(3962), 1088- 1090.
HAIR, J. F.; BLACK, W. C.; BABIN, B. J.; ANDERSON, R. E.; TATHAM, R. L. 2009.
Análise multivariada de dados. Bookman Editora.
KENDALL, C; MCDONNELL, J. 2012. Isotope Tracers In Catchment Hydrology. Elsevier.
L’VOVICH, M. I.; WHITE, G. F.; BELYAEV, A. V.; KINDLER, J.; KORONKEVIC, N. I.;
LEE, T. R.; VOROPAEV, G. V. 1990. Use and transformation of terrestrial water systems. The Earth as transformed by human action, 235-252.
LEHMANN, K. K.; ROMANINI, D. 1996. The superposition principle and cavity ring‐down spectroscopy. The Journal of chemical physics, 105(23), 10263-10277.
NOGUEIRA, M. L.; AUGUSTO, V. A.; CASTELO BRANCO, R. M. G.; CASTRO, D. L.
2005. Caracterização geoambiental e hidrogeológica da zona portuária do Pecém/CE. Revista de Geologia, 18(2), 203-213.
REBOUÇAS, A. 1996. Água Subterrânea no Novo Modelo do Saneamento Básico. Estratégia para el Próximo Siglo-Recursos Hídricos Subterrâneos, ABASMG-Brasil/UNESCO-PHI, art, 7.
SALATI, E.; J. DE M. LEAO; CAMPOS, M. M. 1979. Isótopos ambientais aplicados a um estudo hidrogeológico do Nordeste brasileiro. SUDENE.
SEIDEL, E. J.; JÚNIOR, F. D. J. M.; ANSUJ, A. P.; NOAL, M. R. C. N. C. 2008. Comparação entre o método Ward e o método K-médias no agrupamento de produtores de leite. Ciência e Natura, 30(1), 7.
SHARMA, S. 1996 Applied multivariate techniques. New York, ed. John Wiley & Sons, 1996.
509p.
SIMONOVIC, S. P. 2000. One view of the future. Water International, 25(1), 76-88.
SOUZA, M. L (2002). Estudos Geoléctricos e hidrogeológicos da porção costeira da Bacia do Rio São Gonçalo-CE (Doctoral dissertation, Dissertação de Mestrado, UFC, Fortaleza, 65p).
SPENCE, T. G.; HARB, C. C.; PALDUS, B. A.; ZARE, R. N.; WILLKE, B.; BYER, R. L.
2000. A laser-locked cavity ring-down spectrometer employing an analog detection scheme. Review of Scientific Instruments, 71(2), 347-353.
WARD Jr, J. H. 1963. Hierarchical grouping to optimize an objective function. Journal of the American statistical association, 58(301), 236-244.
ZALICKI, P.; ZARE, R. N. 1995. Cavity ring‐down spectroscopy for quantitative absorption
