Caracterización isotópica y geoquímica del agua de lluvia y agua subterránea en la región central de México

Abstract

RESUMEN :

La rápida industrialización, urbanización, prácticas agrícolas, descargas de aguas residuales y actividades mineras son las principales preocupaciones ambientales en la mayoría de los países en desarrollo, incluido México. En Hidalgo, un estado del centro de México, la extracción continua de agua para fines agrícolas, domésticos y de consumo ha deteriorado la calidad del agua subterránea. De los 21 acuíferos en el estado de Hidalgo, se reporta sobreexplotación en los acuíferos Pachuca –Cuautitlán, Huichapan - Tecozautla y Tulancingo, donde el primero y el último se encuentran en las principales ciudades del estado de Hidalgo. Por otra parte, en la Cuarta Comunicación Nacional ante la Convención Marco de la Naciones Unidas (SEMARNAT, 2010) se estimó un aumento de la temperatura media y una reducción de la precipitación pluvial al 2020 para el estado de Hidalgo.

Hoy en día, es necesario incorporar de manera integrada la gestión del recurso hídrico para asegurar su conservación, calidad y uso racional con el objetivo de garantizar el suministro de agua tanto para la población como para el desarrollo económico. Dado que el agua de lluvia es el principal insumo en los sistemas hidrogeológicos, el monitoreo de agua de lluvia en diferentes zonas del estado ayudará a obtener características espaciales y temporales integradas de este recurso hídrico. El principal objetivo de este trabajo es obtener las características isotópicas y geoquímicas del agua de lluvia y del agua subterránea del área de estudio con el fin de conocer el comportamiento del agua, así como buscar soluciones para problemas de gestión de este recurso natural.

Se determinó la composición isotópica (δ2H y δ18O) del agua de lluvia en cinco municipios del estado de Hidalgo y un sitio al norte de la Ciudad de México. Los valores isotópicos en las aguas pluviales son claramente diferentes de un sitio a otro. Los resultados obtenidos reflejan un descenso en δ2H y δ18O a medida que la elevación topográfica aumenta. Los efectos estacionales no son los factores principales que controlan las concentraciones de elementos y las variaciones isotópicas, mientras que el exceso de deuterio está relacionado con las condiciones físicas (humedad, temperatura del aire y temperatura de la superficie del mar) del área de precipitación de la fuente oceánica. Además, once metales traza Fe, Mn, Cr, Cu, Ni, Co, Pb, Zn, Cd y As se determinaron mensualmente en un total de 52 muestras de lluvia recolectadas en el área de estudio en el periodo marzo de 2016- abril de 2017. Las concentraciones promedio de los metales traza

(mg/L) en las muestras de agua de lluvia mostraron un orden de Zn (0.873) > Fe (0.395) > Mn (0.083) > Cr (0.041) ≥ Cu (0.041) > Pb (0.031) > Ni (0.020) > Co (0.013) > As (0.0003) > Cd (0.002). Las diferencias observadas en las concentraciones de metales están relacionadas con las variaciones en la influencia de las masas de aire continentales, el transporte local, la advección regional y la solubilidad de los metales traza. Se observaron altas concentraciones de metales en los meses de marzo a mayo en todos los sitios probablemente debido a la eliminación menos extensa de contaminantes del aire. Los valores obtenidos del factor de enriquecimiento (EF) por metal mostraron valores relativamente altos para Cd, Zn, Cu, Pb, Co, Ni y Cr, lo que sugiere un origen antropogénico. La matriz de correlación de Pearson validó la distribución de fuentes de metales traza y sus relaciones con las características meteorológicas locales / regionales. Para comprender el patrón hidrogeoquímico, se analizaron 23 muestras de agua subterránea y 2 de agua superficial en tres ciudades del área de estudio (Pachuca, Tula y Tulancingo). Se analizaron las características fisicoquímicas (pH, conductividad eléctrica, dureza total, alcalinidad, acidez total, sólidos totales, sólidos disueltos totales, sólidos suspendidos totales,

2 + 2 + +

- 2- 3-

CO2; cationes (Ca

, Mg

, Na ), aniones (Cl, NO3, SO4 , PO4 , CO2) y elementos geoquímicos

disueltos (Fe, Mn, Cr, Cu, Ni, Co, Pb, Zn, Cd y As). Los resultados mostraron que el agua subterránea es neutra a ligeramente alcalina debido a la disolución de carbonatos. Los aniones y cationes presentaron un orden de (en mg/l): Na+ (273)> Ca2+ (206)> (181)> Cl- (163)> Mg2+ (115)> (11.07)> (0.12) revelando fuentes geogénicas locales e influencias antropogénicas. Las altas concentraciones medias de metales traza disueltos (0.052 mg/l) son atribuidas al entorno geoquímico y a la variabilidad climática. Las concentraciones de Cr, Cu, Ni y Zn se encontraron por debajo de los límites permisibles establecidos por la OMS y por el gobierno mexicano. El diagrama de Piper reveló que el agua subterránea es principalmente de tipo Ca-Mg-HCO3 y Ca- Mg-SO4. El índice de absorción de sodio (SAR) reveló que casi el 96% del agua subterránea es de excelente calidad, mientras que el índice de adsorción de magnesio (MAR) mostró que el 68% de esta no es adecuada para fines de riego.

ABSTRACT :

Rapid industrialization, urbanization, agricultural practices, wastewater discharges and mining activities are the major environmental concerns in most developing countries, including Mexico. In Hidalgo, a central state of Mexico, the continuous withdrawal of water for agricultural, domestic and drinking purposes mostly has deteriorated the ground water quality. Among, the 21 aquifers in Hidalgo State, over-exploitation is reported in Pachuca –Cuautitlán, Huichapan – Tecozautla and Tulancingo aquifers, where the former and latter are located in the major cities of Hidalgo State. On the other hand, in the Fourth National Communication- United Nations Convention, an increase in the average temperature and a reduction in rainfall in 2020 for the state of Hidalgo was estimated.

Nowadays, it is necessary to incorporate water resources management in an integrated way to ensure its conservation, quality and rational use with the objective of guaranteeing the water supply both for the population and for economic development. Since rainwater is the main input in hydrogeological systems, monitoring rainwater in different areas of the state of Hidalgo will help to obtain integrated spatial and temporal characteristics of this water resource. The main objective of this work is to obtain the isotopic and geochemical characteristics of rainwater and groundwater in the study area in order to know the behavior of water, as well as to find solutions for management problems of this natural resource.

The isotopic composition (δ2H and δ18O) of rainwater was determined in five municipalities in the state of Hidalgo and one site north of Mexico City. Isotopic values in rain water are clearly different from one site to another. The results obtained reflect a decrease in δ2H and δ18O as the topographic elevation increases. Seasonal effects are not the main factors that control element concentrations and isotopic variations, while excess deuterium is related to the physical conditions (humidity, air temperature and sea surface temperature) of the precipitation area of the ocean source.

Moreover, eleven trace metals Fe, Mn, Cr, Cu, Ni, Co, Pb, Zn, Cd and As were determined monthly in a total of 52 rain samples collected in the study area during March 2016-April 2017. The average concentrations of trace metals (mg/L) in the rainwater samples showed an order of Zn (0.873)> Fe (0.395)> Mn (0.083)> Cr (0.041) ≥ Cu (0.041)> Pb (0.031)> Ni (0.020)> Co (0.013)> As (0.0003)> Cd (0.002). The differences observed in metal concentrations are related to variations in the influence of continental air masses, local transport, regional advection and the

solubility of trace metals. High concentrations of metals were observed in the months of March to May at all sites probably due to the less extensive removal of air/air pollutants. The values obtained from the enrichment factor (EF) per metal showed relatively high values for Cd, Zn, Cu, Pb, Co, Ni and Cr, suggesting anthropogenic origin. Pearson's correlation matrix validated the distribution of trace metal sources and their relationships with local/regional meteorological characteristics.

In order to understand the hydrogeochemical pattern, ground water (n = 23) and surface water (n = 2) samples were collected in three cities of the study area (Pachuca, Tula and Tulancingo). Physicochemical characteristics (pH, electrical conductivity, total hardness, alkalinity, total

acidity, total solids, total dissolved solids, total suspended solids, CO2; cations (Ca

2+, Mg2+

, Na+),

2- 3- anions ( Cl-, NO3, SO4 , PO4 , CO2) and dissolved geochemical elements (Fe, Mn, Cr, Cu, Ni, Co, Pb, Zn, Cd and As) were analyzed. Results illustrated the groundwater is neutral to slightly alkaline due to the dissolution of carbonates. Average concentrations of anions and cations presented an order of (in mg/l): Na+ (273) > Ca2+ (206) > (181) > Cl- (163) > Mg2+ (115) > (11.07) > (0.12) revealing the local geogenic and anthropogenic influences. High mean concentrations of dissolved trace metals (0.052 mg/l) is attributed to their diverse geochemical environment of the terrain and climatic variability. Concentrations of Cr, Cu, Ni and Zn were below the permissible limits set forth by WHO and the Mexican Government. Piper trilinear diagram revealed that they are mainly of Ca-Mg-HCO3 and Ca-Mg-SO4 type. Sodium Absorption Ratio (SAR) revealed that nearly 96% are of excellent quality, while Magnesium Adsorption Ratio (MAR) showed that 68% of them are unsuitable for irrigation purposes. Comparison values indicates considerable changes in physico-chemical parameters than WHO values.