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Composicion isotopica del agua subterranea y su relacion con la salinidad en el Valle de San Luis Rio Colorado en Sonora, Mexico.

Isotopic composition of groundwater and its relationship with salinity in the Valley of San Luis Rio Colorado Sonora Mexico.

INTRODUCCION

La actividad agricola del Valle de San Luis Rio Colorado en Sonora, perteneciente al Distrito de Riego 014, se desarrolla en una superficie aproximada de 26,400 ha con derecho de riego, donde son irrigadas 14,000 ha con aguas subterraneas provenientes de la explotacion de aproximadamente 167 pozos profundos y 12,400 ha con aguas superficiales conducidas por gravedad, cuya fuente de abastecimiento comun es el Rio Colorado a traves de la presa "Morelos" y el canal de riego Sanchez Mejorada. El Distrito de Riego No. 14 esta dividido para su administracion en Modulos de Riego. Al Valle de San Luis Rio Colorado le corresponden los Modulos de Riego No. 1, 2 y 3. El Modulo No. 1 esta ubicado en la margen izquierda del Rio Colorado, entre las coordenadas 32[grados]28'36" latitud Norte y 114[grados]45'45" longitud Oeste y forma parte del municipio que lleva el mismo nombre el cual esta localizado al noroeste de la Republica Mexicana en el Estado de Sonora con una extension territorial de 8,412.75 [km.sup.2], (Fig. 1).

El agua tanto del sistema de flujo superficial como del subterraneo en el Delta del Rio Colorado tiene su origen en el agua que aporta el Rio Colorado, la aportacion por lluvia en el Delta es muy reducida, la precipitacion media anual en la estacion Yuma Valley de la red AZMET es de 80 mm, (AZMET, 2012). No obstante, la salinidad del agua entregada superficialmente a Mexico por el Tratado Internacional de 1944 ha sufrido variaciones en su salinidad alcanzando niveles inaceptables para los usos agricolas en los anos 70s, ya que es mezclada con agua de retorno agricola que ha sufrido procesos de evaporacion y lavado de suelos.

[FIGURA 1 OMITIR]

La minuta 242 firmada en 1973 impidio, a partir de entonces, la entrega de agua con niveles de salinidad mayores a 121 partes por millon, en promedio anual, a el agua de la presa Morelos y que es entregada a los usuarios agricolas del Valle Imperial en California, EUA, (IBWC, 1973). No obstante, la salinidad de las aguas de riego, con valores de conductividad electrica entre 1,140 y 3,820 uS cm-1 con promedio de 2,123 uS cm-1, utilizadas para los cultivos son uno de los principales problemas que ha afectado la produccion agricola en el valle de San Luis R.C. desde hace mas de 5 decadas, (CONAGUA, 2008; Getches, 2003; IBWC, 1973).

El agua que historicamente fluia a lo largo del cauce del Rio Colorado aporto sedimentos y formo los valles de Imperial y Mexicali conformando el delta. El agua infiltrada a lo largo de su recorrido alimento el acuifero. A partir de la construccion del sistema de presas aguas arriba del Rio Colorado, en 1934 (inicio del llenado del vaso de la presa Hoover), el caudal fue drasticamente regulado, (Roman-Calleros y Ramirez-Hernandez, 2003). La firma del Tratado Internacional de 1944 los volumenes que eran descargados a Mexico fueron acotados a 1,850X[10.sup.6] [m.sup.3] anuales, (CILA, 1944). La residencia del agua en los vasos de almacenamiento favorece la evaporacion y por lo tanto el fraccionamiento isotopico, lo que permite diferenciar el agua subterranea infiltrada antes de haber sido almacenada en estos vasos, (Tompson et al., 2008).

Valenzuela-Vasquez et al. (2009) encontraron que en la mayoria de los pozos del Modulo de Riego No. 1 las aguas son clasificadas como cloruradas sodicas de acuerdo con el diagrama de Piper. Ademas, en los pozos ubicados al norte del Modulo de Riego No. 1, observaron que las aguas subterraneas se dirigen del Noreste al Suroeste atravesando toda el area del modulo siguiendo el cauce del Rio Colorado. Dada la complejidad del comportamiento de las aguas de los pozos del Modulo de Riego No. 1 y las dificultades para definir los factores determinantes del incremento de sales mediante modelacion hidrogeoquimica recomiendan determinar la composicion isotopica del agua, la cual se definiria el origen. La composicion isotopica del agua en conjunto con las modelaciones hidrogeoquimicas permitiria clarificar los diferentes aportes de agua a los pozos del Modulo de Riego No.1.

El objetivo del presente trabajo es identificar los origenes de las fuentes del agua subterranea del acuifero por medio del estudio de la composicion isotopica de los isotopos estables[[delta].sub.2]H (Deuterio, D) y [[delta].sub.18]O (Oxigeno 18) que permitan explicar el aumento de la salinidad del agua y el suelo, para que las medidas preventivas y de mitigacion aplicadas sean mas efectivas y se logre un mejor manejo del agua.

ANTECEDENTES

Las tecnicas isotopicas se han aplicado en hidrologia e hidrogeologia a nivel mundial durante mas de 50 anos, constituyendose en una herramienta muy valiosa para la investigacion y la solucion de problemas relacionados con el medio ambiente y la ingenieria,(Fontes, 1986; Gonfiantini, 1986). La utilizacion de los isotopos estables del agua, [[delta].sub.2]H y [[delta].sub.18]O, son muy utiles para identificar las diferentes fuentes de recarga de agua subterraneas y distinguir aguas con una composicion quimica similar, ya que son trazadores ideales porque son parte de la molecula de agua y no reaccionan como otros elementos disueltos en el agua (Dickinson et al., 2006).Por una parte, la concentracion absoluta y relativa de los iones mayoritarios y traza en el agua reflejan los procesos de interaccion agua-roca. Por otra, la composicion isotopica de las aguas subterraneas pueden utilizarse para localizar las zonas de recarga, y para determinar el origen de las aguas subterraneas (meteorico, agua marina, fosil, magmatica y metamorfica) (Fontes, 1986).

La molecula de agua esta formada por dos elementos: hidrogeno y oxigeno. El hidrogeno se presenta en la naturaleza bajo la forma de dos isotopos estables, el protio ([sub.1]H) y el deuterio ([sub.2]H o D), y uno radiactivo, el tritio ([sub.3]H o T). El oxigeno posee tres isotopos estables: [sub.16]O, [sub.17]O y [sub.18]O. La relacion [sub.18]O/[sub.16]O es de aproximadamente 1:500 y la [sub.2]H/[sub.1]H de 1:6600 en el agua del oceano (Plata, 1996)

En 1961, Harmon Craig encuentra una relacion lineal entre la composicion isotopica de [[delta].sub.18]O y la de [[delta].sub.2]H para las aguas superficiales a escala global y la denomina "Craig's global meteoricwater line" (Linea de Agua Meteorica Global de Craig), representada por la siguiente ecuacion:

[[delta].sub.2]H = 8[[delta].sub.18]O + [10.sup.0]/[sub.00]smow (1)

donde[[delta].sub.2]H es la relacion isotopica de Deuterio y [[delta].sub.18]O es la relacion isotopica de oxigeno-18.

En la figura 2 se muestra la Linea Meteorica Mundial comparada con los cambios de la composicion isotopica del agua producida por diferentes procesos. Siendo que el estado liquido del agua en el mar es uno de los pasos del ciclo hidrologico, y que este contiene el 98% del agua liquida presente en la superficie de la tierra, su composicion promedio se ha tomado como el estandar o patron internacional (SMOW, Standard Mean OceanWater) para el analisis de informacion isotopica. Toda concentracion de isotopos estables en la molecula de agua se presenta entonces como la desviacion delta ([delta]) con referencia al patron antes mencionado, de la siguiente manera:

[delta] = (R - [R.sub.SMOW]) / [R.sub.SMOW] (2)

Donde R es la llamada relacion isotopica y representa el cociente entre los isotopos estables, ya sea del hidrogeno ([sub.2]H/[sub.1]H) o del oxigeno ([sub.18]O/[sub.16]O).

Posteriormente es introducido el patron VSMOW (Viena Standard Mean OceanWater) que es el utilizado actualmente. El subsiguiente monitoreo isotopico de la precipitacion mundial realizado por la Organismo Internacional de Energia Atomica por sus siglas en ingles GNIP-OIEA, a traves de la red global para isotopos en la precipitacion, ha refinado esta relacion obteniendo la siguiente expresion(Velez y Rhenals, 2008):

[[delta].sup.2]H = 8.13[[delta].sub.18]O + 10.8 VSMOW (3)

Los resultados obtenidos con isotopos estables demuestran que elenfoque multi-isotopico es una herramienta util para identificar el origen y las fuentes de aguas subterraneas salinas (Jorgensen y Banoeng-Yakubo, 2001). Siendo los isotopos [sub.18]O/[sub.2]H buenos trazadores de movimiento del agua y de algunos procesos de fraccionamientos naturales que les afectan.

[FIGURA 2 OMITIR]

La variacion relativa de la composicion isotopica de [[delta].sub.18]O con respecto a [[delta].sub.2]H cuando el agua ha estado sometida a un proceso de evaporacion da como resultado lineas con pendientes entre 4 y 6 con valores de la ordenada menores a 10, (Domenico y Schwartz, 1998; Mebus, 2000; Plata, 1996). La composicion isotopica del agua subterranea en regiones aridas puede ser en ocasiones, bastante diferente de la composicion de la precipitacion local, indicando que las causas mas comunes es el enriquecimiento isotopico del agua por evaporacion.

De otra parte, para interpretar los resultados de los analisis isotopicos del agua es necesario tener parametros de referencia, uno de ellos es la linea meteorica mundial, la otra es la linea meteorica del cauce que se desarrolla en el espacio orografico del area de estudio y la linea meteorica local; tambien es de importancia tener de referencia lineas meteoricas de areas circundantes. Tompson et al., (2008) utilizaron como referencia la linea meteorica mundial (global meteoricwater line) y la linea meteorica del Rio Colorado para interpretar sus resultados, en esta ultima se observan dos nubes de puntos, la nube desplazada hacia los valores mayores de composicion isotopica expresan, segun el autor, un origen reciente del agua del Rio Colorado (entre 10 a 15 anos de edad), compuesto por agua primordialmente evaporada debido a un mayor tiempo de exposicion atmosferica de la misma, la nube de puntos localizada en valores menos agotados del tritio (isotopo radiactivo) representan aguas antiguas del rio de aproximadamente 45 anos de edad, que pertenecieron a etapas anteriores a la construccion de las grandes presas aguas arriba. (Fig. 3).

Schroeder et al., (1991) encontraron que el agua afectada por la evaporacion, como sucede en el riego, se muestran en una mayor agotamiento de deuterio que de [sub.18]O. La composicion isotopica del agua, una vez en el acuifero, no cambia tan facilmente, excepto, posiblemente, por la mezcla con otra fuente de distinto valor isotopico, estos es un indicativo de la presencia de agua superficial aportada a traves del riego, (Fontes, 1986). Rangel-Medina et al., (2004)destacan que, a partir de los valores isotopicos [[delta].sub.18]O y [[delta].sub.2]H del agua subterranea del acuifero que recarga el Rio Sonora y la Linea Meteorica Mundial, este acuifero presenta un grado de afectacion por una evaporacion rapida y desertica, tipica de una infiltracion reciente y sujeta a variaciones estacionales. A partir de los resultados obtenidos con isotopos estables el enfoque isotopico es una herramienta util para identificar el origen y las fuentes de aguas subterraneas salinas resultando los isotopos [[delta].sub.18]O y [[delta].sub.2]H buenos trazadores de movimiento del agua y de algunos procesos de fraccionamientos naturales que les afectan (Gonfiantini, 1986; Jorgensen y Banoeng-Yakubo, 2001). La composicion isotopica del agua subterranea en regiones aridas puede ser en ocasiones, bastante diferente de la composicion de la precipitacion local, indicando que la causa mas comun es el enriquecimiento isotopico del agua por evaporacion.

El modelo hidrogeologico del acuifero del delta del Rio Colorado corresponde a un potente acuifero libre detritico compuesto de sedimentos acarreados por el Rio Colorado en su porcion central (600 a 4000 m de profundidad), intercalado con sedimentos de piedemonte de las montanas que limitan al delta en el flanco Oeste con las Sierras Cucapah y El Mayor en el flanco Este con las montanas Laguna, Gila y Las Tinajas (CONAGUA, 2008). Su flujo regional es en direccion SW desde las inmediaciones de las Sierras Chocolate entre las que discurre el Rio Colorado hasta la cabecera del Golfo de California. Estos flujos regionales son modificados localmente por la extraccion de agua de pozos para uso agricola y por recarga vertical desde canales de riego sin revestimiento y agua de retorno de riego agricola. Particularmente en esta porcion del acuifero los canales sin recubrimiento mas importantes son el Canal Bacastec y el Canal Revolucion, (CONAGUA, 2008).

Palomares (2011),en modelacion hidrogeoquimica de los procesos de mineralizacion del agua de los pozos del Modulo No. 1, utilizando el codigo PRHEEQC, a lo largo de tres lineas de flujo, encontro que: 1) los pozos ubicados a lo largo del cauce del Rio Colorado podrian contener agua que procede de agua reciente del mismo Rio y que su evolucion hidrogeoquimica pasa de aguas cloruradas sodicas a sulfatadas sodicas; 2) el agua de los pozos de la porcion central del Modulo No. 1 demostro que es posible que se lleve a cabo un intercambio cationico incorporandose sodio y precipitandose calcio y magnesio por el contacto con depositos de halita en el subsuelo; 3) el agua de los pozos ubicados en el borde Este del Modulo No. 1, cercanos a la mesa arenosa, muestran una evolucion hacia aguas cloruradas sodicas.

[FIGURA 3 OMITIR]

MATERIALES Y METODOS

Se tomaron muestras de agua de 34 pozos del Modulo de Riego No. 1 en los meses de marzo y abril del ano 2009 (Fig. 4). Para cada pozo se utilizaron tres botellas de polietileno reforzado de 250 ml, con tapones especiales para evitar la minima presencia de aire en el deposito. La primera botella para cationes con acido nitrico al 10%, la segunda para analizar aniones y la tercera para analizar isotopos. Ademas se tomaron muestras en dos puntos del canal Sanchez Mejorada y una mas del agua subterranea proveniente de la Mesa de Andrade o Mesa Arenosa. En total se colectaron 102 muestras, representativas del area de estudio (Fig. 1), las muestras se transportaron en hieleras y durante su almacenamiento se guardaron en un refrigerador a una temperatura minima de 4[grados]C, como lo recomienda el Manual de Geoquimica Ambiental de la (UNAM, 2005).

Al momento de tomar las muestras de agua referidas en el parrafo anterior, se hicieron las siguientes determinaciones "in situ". Se registraron las coordenadas geograficas de ubicacion de cada pozo utilizando un GPS marca Garmin, modeloLegend. La conductividad electrica (CE) y los solidos disueltos totales (STD) del agua colectada se midio con un conductimetro portatil marca Hanna, modelo HI 9835. La temperatura y el pH del agua se evaluo con un potenciometro portatil marca Jenko. Ademas se midio la profundidad del nivel estatico en cada pozo con una sonda electrica marca Solinst.

Los iones mayoritarios de las muestras de agua se analizaron en el laboratorio de Ciencias de la Tierra del Instituto de Ingenieria de la Universidad Autonoma de Baja California utilizando lo metodologia de la APHAAWWA-WPFC (1992), se obtuvo la concentracion de los siguientes iones: Calcio ([Ca.sup.+2]), Sodio ([Na.sup.+1]), Potasio ([K.sup.+1]), Magnesio ([Mg.sup.+2]), Carbonatos (C[O.sub.3.sup.-2]), Bicarbonatos (HC[O.sub.3.sup.-1]), Sulfatos (S[O.sub.4.sup.-2]), Cloro ([Cl.sup.-1]) y Silice (Si[O.sub.4]). Los analisis de la composicion isotopica de [[??].sub.18]O y Deuterio (52H) se obtuvieron en el laboratorio EnvironmentalIsotopeLaboratory del Department of Geosciences de la Universidad de Arizona en Tucson Arizona, EUA.

El analisis de la composicion isotopica se llevo a cabo mediante la comparacion grafica con la Linea Meteorica Mundial corregida en 1973, de la Viena Estandar Mean OceanWater (VSMOW) (Craig, 1961; Velez y Rhenals, 2008)y la Linea de Evaporacion del Rio Colorado utilizada por Tompson et al. (2008) lo que permitio determinar el trazo y origen del agua en el acuifero del Valle de San Luis Rio Colorado, Sonora.

RESULTADOS Y DISCUSION

Los resultados de los analisis isotopicos se presentan en la Tabla 1. La figura 4 ilustra las isopiezas que muestran un gradiente desde la porcion NE en los pozos R-58 y R-36 de 20 msnm hasta la isopieza de 14 msnm en la porcion SW en el pozo 23-Valle. Este gradiente general en direccion SW obedece a la recarga regional del Rio Colorado desde aguas arriba de la zona de estudio, como se ha indicado por diversos autores, (CONAGUA, 2008).

[FIGURA 4 OMITIR]

La composicion isotopica de agua en el grafico [[??].sub.18]O vs [[??].sub.2]H muestran una pendiente de 6.61 y la coordenada en el origen de -22.86. Esta linea de evaporacion inicia en el agua de origen (antigua) que corresponde al agua infiltrada del Rio Colorado antes de la construccion del sistema de presas, aguas arriba. La composicion isotopica del agua en el acuifero indica una mezcla de agua recientemente evaporada (retorno de riego) con agua antigua y agua actual del Rio Colorado presentada de acuerdo a los valores presentados por Tompson et al. (2008), (Fig. 5).

[FIGURA 5 OMITIR]

Los pozos que se ubican en el area cercana al cauce del Rio Colorado y al norte del Modulo No. 1 presentan valores mayores en la composicion del [[delta].sub.18]O y del [[delta].sub.2]H, como se aprecia en las figuras 6 y 7, respectivamente. Existe posible mezcla del agua reciente del Rio Colorado en el agua subterranea, siendo mas notorio en los pozos localizados al norte del Modulo No.1. Los pozos ubicados en la parte central y al Este del area de estudio, presentan menores valores en la composicion isotopica, esta area puede estar influenciada por agua de origen del Rio Colorado (antigua), mezclada con agua evaporada producto de la infiltracion del riego.

[FIGURA 6 OMITIR]

[FIGURA 7 OMITIR]

La concentracion de cloruro se produce por un proceso de disolucion de sales presentes en el suelo y en el subsuelo, en la figura 8 se aprecia este proceso de disolucion, indicando con una elipse a los pozos que poseen una composicion isotopica de [[??].sub.18]O menor a -12.5[por millar]. Este grupo de 6 pozos de composicion isotopica menor que el resto de los pozos, independientemente de la concentracion de cloruro, son: 2 Hidalgo, 5 San Luis, R-58, 3 Bordo de Piedra, 4 Hidalgo y 1 Hidalgo. En la figura 4 se observa que todos ellos se localizan en el area Norte del Modulo de Riego No. 1, lo cual podria indicar la influencia de una mezcla de flujo de agua mas reciente y se puede corroborar en la figura 5, donde el mismo grupo de pozos se localizan exactamente sobre el area del agua reciente del RC desplazados sobre la linea meteorica del Modulo de Riego No. 1.

[FIGURA 8 OMITIR]

CONCLUSIONES

El agua subterranea en el Modulo de Riego No. 1 mostro una composicion isotopica ([[delta].sub.18]O y [[delta].sub.2]H) caracteristica de aguas originadas antes de la construccion del sistema de presas (aguas antiguas del Rio Colorado) y de aguas infiltradas despues de la construccion del sistema sometidas a procesos de evaporacion en los vasos (aguas recientes del Rio Colorado). Particularmente, en la parte norte del Modulo de Riego No. 1, se encontraron dos procesos de mezcla: uno, agua proveniente de infiltracion reciente del Rio Colorado mezclada con agua evaporada debido a un mayor tiempo de exposicion atmosferica de la misma; dos, agua reciente con agua antigua del Rio Colorado. Por la concentracion de cloruros no se atribuye una componente de agua infiltrada desde el Canal Bacastec.

A diferencia de lo que se esperaba, el analisis isotopico permitio establecer que el agua de los canales de riego mas mineralizada aun no esta presente en el acuifero lo cual permite establecer politicas del uso del agua que impidan su contaminacion. Con lo anterior, se demuestra que el analisis de la composicion isotopica del agua es una herramienta util en el manejo de los recursos hidricos en una zona semidesertica.

doi: 10.4067/S0718-07642013000200008

REFERENCIAS

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Lorenzo Valenzuela (1), Jorge Ramirez-Hernandez (2) y Ramon B. Palomares (1)

(1) Universidad Estatal de Sonora, Km. 6.5 Carretera a Sonoita, San Luis Rio Colorado 83450, Sonora-Mexico (e-mail: valenzuela_lorenzo@yahoo.com)

(2) Universidad Autonoma del Estado de Baja California, Instituto de Ingenieria, Ave. De la Normal s/n Col. Insurgentes-Este Mexicali, 21280 B.C.-Mexico (e-mail: jorger@uabc.edu.mx)

Recibido Sep. 11, 2012; Aceptado Nov. 05, 2012; Version final recibida Ene. 04, 2013
Tabla 1. Resultados de los analisis de isotopos y cloruros
del agua subterranearealizados en el mes abril del 2009.

Nombre del Pozo              [delta]D      [[delta].       Cl (mg
                           [por millar]     sub.18]O     [L.sup.-1])
                                          [por millar]

2 Hidalgo                      -94           -11.8           380
1 Moctezuma                    -103          -13.3           364
109 MB                         -106          -13.8           341
3 Bordo de Piedra              -95           -12.0           353
5 San Luis                     -95           -11.8           355
8 San Luis                     -108          -14.2           281
1 Hidalgo                      -96           -11.9           210
R-38                           -108          -14.3           229
10 Moctezuma                   -112          -14.7           220
2 Monumentos                   -111          -14.5           133
135-C                          -107          -13.9           646
3-Soc Monumentos               -105          -13.4           434
4 Monumentos                   -109          -14.0           401
1 Soc. Sanchez Mejorada        -103          -14.2           233
3 Soc. Sanchez Mejorada        -105          -13.5           553
12 Moctezuma                   -104          -13.3           501
9 Moctezuma                    -110          -14.3           401
13 Moctezuma                   -110          -14.3           199
12 Valle                       -108          -13.9           247
6 Valle                        -109          -14.1           235
15 Valle                       -107          -13.9           260
16 Valle                       -107          -13.8           455
17 Valle                       -110          -14.6           160
11 Moctezuma                   -104          -13.4           688
4 Hidalgo                      -99           -12.4           270
3 Moctezuma                    -108          -14.0           394
23 Valle                       -109          -14.2           257
144 MB                         -107          -14.0           422
R-58                           -96           -12.0           358
R-121                          -107          -14.0           397
R-73                           -109          -14.2           305
13--Valle                      -109          -14.2           312
1 Azteca                       -104          -13.6           314
4 Azteca                       -110          -14.4           156
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Author:Valenzuela, Lorenzo; Ramirez-Hernandez, Jorge; Palomares, Ramon B.
Publication:Informacion Tecnologica
Date:Apr 1, 2013
Words:4864
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