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Introducción
La ciudad de Durango es la capital del estado mexicano del mismo nombre. Se localiza en la parte noroeste de la república mexicana sobre el valle del Guadiana. La población en el área se abastece del agua subterránea que se obtiene de 97 pozos y 41 tanques de almacenamiento, los cuales están concesionados a la dependencia Aguas del Municipio de Durango (AMD), con un gasto estimado de 2 509 l/s.
La Organización Mundial de la Salud (OMS) establece 0.010 mg/l como límite máximo permitido (LMP) de As en agua destinada a consumo humano (WHO, 2004). Al respecto, la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994 establece como LMP 0.025 mg/l (SSA, 1995). En el caso del F, ambos lineamientos, la OMS y la NOM-127-SSA1-1994, establecen 1.5 mg/l como LMP de este elemento en agua para consumo humano.
Diversos estudios sobre calidad del agua subterránea en la ciudad han reportado concentraciones de As y F superiores a los límites máximos (LMP). En el caso de As, dos estudios han reportado que prácticamente todas las mediciones efectuadas para la ciudad están fuera de los LMP. El primer estudio sobre la temática en 2001 indicó concentraciones de As en el agua subterránea de 0.028 a 0.092 mg/l (Alarcón, Flores, Romero, Martín, & Trejo, 2001). Estudios realizados 10 años después reportan un incremento en la concentración del metaloide en el agua con valores de As entre 0.021 y 0.0528 mg/l (Chávez, 2010).
En el caso de F, se ha reportado desde 1997 que 96% de los pozos excedía el LMP recomendado por la OMS y 84% de los pozos superó entre 2 y 3 veces el límite (Trejo, Alarcón, Martínez, Romero, & Salvador, 1997). En el estudio de Ortíz, Castro, Turrubiartes, Milan y Diaz (1998) se evaluó el riesgo de exposición al F en agua potable para los habitantes de la ciudad de Durango, para esto se recolectaron 212 muestras de agua en tomas domiciliarias (agua de grifo); los valores encontrados estuvieron en un rango de 1.0 a 5.6 mg/l. El estudio concluye que 95% de la población en la ciudad de Durango estaba expuesta a concentraciones mayores de 2 mg/l.
La hidroquímica de un acuífero está determinada por procesos naturales, como la precipitación, deposición atmosférica de sales, evapotranspiración, interacciones agua-roca/suelo y actividades antrópicas. Tanto los procesos naturales como los antrópicos varían a través del tiempo y el espacio, lo cual resulta en variaciones hidroquímicas espaciales y temporales en una región (Machiwal & Jha, 2015). Estudios anteriores de la calidad de agua subterránea en la ciudad de Durango han estado limitados a una muestra de la totalidad de pozos o a un periodo de muestreo corto, por lo que no han permitido evaluar la estabilidad temporal y espacial de estas concentraciones en el área de estudio; ello no permite establecer si las variaciones en las concentraciones reportadas en los diferentes estudios son estacionales o anuales.
El análisis espacio-temporal de las concentraciones de As y F es útil para caracterizar espacialmente y dar mayor certidumbre al riesgo asociado con estas concentraciones en la población, y ayuda en la identificación y comprensión de los procesos que controlan sus niveles en el agua subterránea. También brinda información necesaria para el manejo del recurso hídrico y para el desarrollo de posibles tratamientos para la remoción de tales contaminantes. Asimismo, sirve como guía en futuros estudios y análisis que permitan establecer un modelo conceptual del funcionamiento hidrogeoquímico del sistema, con énfasis en As y F.
Por ello, el objetivo del presente estudio fue determinar el comportamiento espacial y temporal de los niveles de As y F en al agua subterránea de la ciudad de Durango. Para ello se conjuntó la información y se analizó mediante sistemas de información geográfica (SIG) y pruebas estadísticas no paramétricas. La base de datos de los monitoreos anuales de estos elementos de 2012 a 2016 fue de 97 pozos y siete tanques de almacenamiento en el área de estudio.
Materiales y métodos
Área de estudio
Se consideró como área de estudio el polígono de la ciudad de Durango, México, que se forma entre los paralelos 23° 50' y 24° 15' de latitud norte, y los meridianos 104° 20' y 104° 50' de longitud oeste, dentro del cual están contenidos principalmente los límites del centro de población (Figura 1).
Figura 1 Ubicación de pozos y tanques monitoreados, isolíneas de volúmenes de extracción anual (hm3) y zonificación empleada en el área de estudio. Fuente: Conagua (2018).
De acuerdo con la clasificación climatológica de Köppen, modificada por García (1998), el clima de la ciudad corresponde al grupo de climas secos, al tipo de climas semisecos y al subtipo semiseco templado, con lluvias en verano. Su temperatura media anual es de 16.7 °C, con una máxima promedio de 35.77 °C y mínima promedio de -8 °C en invierno. La precipitación media anual es de 546 mm, con una máxima en 24 horas de 82 mm, y una evaporación potencial promedio de 2 448 mm. Los vientos dominantes se dan en dirección sudoeste a noreste, con velocidades máximas de 60 km/hora.
Hidrología superficial y subterránea
La ciudad de Durango se ubica dentro de cuenca del río San Pedro y la subcuenca del río Durango. En esta zona existe un coeficiente de escurrimiento de 0 a 5% y la dirección del flujo de las aguas subterráneas es de oeste a este (Conagua, 2009). En el área de estudio se encuentran importantes aprovechamientos de agua superficial, como las presas Presidente Guadalupe Victoria, que almacena las aguas del río El Tunal; la presa Peña del Águila, localizada al norte del municipio, que regula los escurrimientos del río del mismo nombre; las corrientes intermitentes en la superficie del valle del Guadiana; los ríos El Tunal y la Sauceda, y otros de menor importancia, como el río Chico, las Bayas, el Cajón y las Tinajas (Conagua, 2009).
Respecto a las aguas subterráneas, el manto freático de la ciudad de Durango pertenece a la parte norte del acuífero del “Valle del Guadiana”. La explotación de este manto acuífero del Valle del Guadiana es para diversos usos agrícolas, industriales y urbanos; se realiza a través de manantiales y pozos, alcanzando una extracción de 144.79 hm3/anuales, mientras que la recarga del mismo se estima en unos 131.9 hm3/anuales (Conagua, 2015).
La zona que comprende desde la mancha urbana de la ciudad de Durango hasta los poblados Ferrería, 20 de Noviembre y Cinco de Mayo se encuentran en niveles estáticos de 10 a 30 m. El acuífero Valle del Guadiana, de acuerdo con su composición geológica y comportamiento en pruebas de bombeo, es de tipo libre y está formado principalmente por material granular sedimentario y conglomerado; su geometría presenta una frontera inferior hasta de 300 m de profundidad, observándose que su espesor se reduce de modo considerable hacia los flancos (Conagua, 2015).
Geología
En el área de estudio se encuentran las rocas ígneas extrusivas del tipo tobas riolíticas, que se localizan en la mayor parte de la zona de estudio. Es una roca que presenta porosidad en su textura, muy resistente. La roca ígnea extrusiva ácida del tipo toba riolítica-ignimbrita localizada en el sur y sureste es más dura. En la gran mayoría de la zona de estudio, la matriz acuífera corresponde a formaciones aluviales. En la parte suroeste se encuentran capas areno limosas, también de origen aluvial (SGM, 2015a; SGM, 2015b).
Muestreo y análisis
Para la realización del presente estudio se consideró la información proporcionada por AMD, integrándose en una base de datos, en la cual AMD reporta que las campañas de muestreo anuales en pozos y tanques en el área de estudio fueron efectuadas siempre en los meses de abril a agosto. Para cada año del periodo 2012-2015, se determinaron las concentraciones de As y F en alrededor de 85% de los pozos y 20% de los tanques que abastecen a la ciudad de Durango con agua para consumo humano.
De acuerdo con AMD, las determinaciones analíticas fueron coordinadas por el laboratorio de ingeniería ambiental de la Comisión Nacional del Agua (Conagua), delegación Durango. El método para la determinación de As fue mediante espectrometría de absorción atómica con generador de hidruros (Secofi, 2001a). Los fluoruros se determinaron por el método de electrodo de ion selectivo (ISE) con base en el método establecido por la NMX-AA-077-SCFI-2001 (Secofi, 2001b).
Variación temporal de los niveles de As y F
Las mediciones anuales de As y F para el periodo de estudio 2012-2016, efectuadas en la gran mayoría de los pozos y tanques de la ciudad de Durango, permitió analizar de forma sistemática las variaciones anuales y su significancia estadística. Para esto se empleó la prueba estadística no paramétrica de Friedman (Helsel & Hirsch, 2002). Dicha prueba no paramétrica para medidas repetidas es la alternativa cuando no se cumplen los supuestos necesarios para usar la ANOVA de un factor. Los sitios de muestreo (pozos y tanques) se agruparon en hileras y los años del periodo en columnas. Mediante esta prueba sólo se determinó si las diferencias interanuales en las concentraciones de As y F eran estadísticamente significativas. Además, se llevó a cabo la prueba de Conover, la cual, mediante la comparación por pares entre años, indica si son diferentes entre sí (Helsel & Hirsch, 2002).
Además, a través del análisis de los estadísticos descriptivos, dispersión y funciones de distribución de probabilidad empírica de las concentraciones de As y F, se obtuvo información de la estructura de los datos y características de las fuentes de abastecimiento de agua potable en la zona de estudio. Los procedimientos estadísticos se realizaron con el software R package versión 3.4.1 (R Core Team, 2018).
Variación espacial de los niveles de As y F
Para realizar el análisis espacial de los niveles de concentración de As y F en el agua subterránea de la ciudad de Durango se interpolaron los datos observados en los pozos del área de estudio. Se creó una capa de isoconcentraciones de As y F para cada año del periodo de estudio. Se ocupó el método de interpolación IDW, mediante la extensión Spatial Analisys del software ArcGIS v.10.3 (Copyright ESRI Inc., Redlands, CA, EUA). Se interpolaron capas de isoconcentración de As y F con base en los valores de interés mostrados en la Tabla 1. Estos resultados se sobrepusieron en la imagen Landsat 8 del 12 de junio de 2017.
Tabla 1 Clasificación de concentraciones de As y F empleada en el análisis espacial.
| Rangos de clasificación de As | Rangos de clasificación de F | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rango (μg/l) | Evaluación OMS1 | Evaluación NOM 1272 | Rango (mg /L) | Evaluación OMS1 | Evaluación NOM 1272 | |
| 15-20 | > LMR | <LMR | 2.7-4.5 | > LMR | > LMR | |
| 21-25 | > LMR | < LMR | 4.6-6.0 | > LMR | > LMR | |
| 26-30 | > LMR | > LMR | 6.1-7.5 | > LMR | > LMR | |
| > 30 | > LMR | > LMR | > 7.5 | > LMR | > LMR | |
1(WHO, 2004).
2NOM-127-SSA1-1994 (SSA, 1995).
3Límite máximo recomendado/permisible (LMR).
Resultados y discusión
Variación temporal de los niveles de As y F 2012-2016
La Tabla 2 muestra los estadísticos descriptivos de las concentraciones observadas de As y F en pozos y tanques en el periodo de estudio. En cada año de monitoreo, del total de tanques y pozos que existen en la ciudad de Durango se hicieron determinaciones de As y F en más de 85 y 20% de los pozos, respectivamente. La concentración mínima de As observada en el periodo fue de 15 μg/l y la concentración máxima fue de 60 μg/l. Todas las mediciones en el periodo superan el LMP establecido como seguro para consumo humano por la OMS (WHO, 2004). El 50% de las mediciones supera el LMP establecido en la NOM-127-SSA1-1994 (SSA, 1995). Predominan niveles de As que superan de dos a tres veces este LMP, pues 88% de las determinaciones de As está dentro del rango de 20 a 35 μg/l.
Tabla 2 Estadísticos descriptivos de los niveles de As y F en pozos y tanques en el periodo 2012-2016.
| As (μg/l) | F(mg/l) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Año | N | Prom | Mín | Máx | DS | N | Prom | Mín | Máx | DS | |
| 2012 | 88 | 26.83 | 15 | 35 | 4.99 | 90 | 5.32 | 2.80 | 9.30 | 1.55 | |
| 2013 | 94 | 25.47 | 15 | 35 | 4.73 | 95 | 5.14 | 2.70 | 8.90 | 1.24 | |
| 2014 | 92 | 25.80 | 15 | 40 | 5.20 | 94 | 5.17 | 3.00 | 8.20 | 1.02 | |
| 2015 | 86 | 28.613 | 15 | 45 | 6.48 | 97 | 4.62 | 3.10 | 6.80 | 0.81 | |
| 2016 | 95 | 31.59 | 15 | 60 | 9.66 | 97 | 4.44 | 2.60 | 6.80 | 0.783 | |
N: número de muestras. DS: desviación estándar.
Para F, la concentración mínima observada en el periodo fue de 2.3 mg/l y la máxima de 9.3 mg/l. Todas las mediciones superan el LMP de la OMS (WHO, 2004) y de la NOM-127-SSA1-1994 (SSA, 1995). El 84% de estas mediciones de F está en el rango de 3 a 6 mg/l, por lo que la mayoría de las muestras supera los valores de referencia de dos a cuatro veces. Al final del periodo de estudio (2015 y 2016) se observó un aumento de los niveles de As y disminución de los niveles de F (Figura 2).
Figura 2 Comportamiento de los niveles de As y F durante el periodo de estudio (2012-2016). A) niveles de As, B) niveles de F.
Las diferencias encontradas en los niveles de As y F en los datos de este estudio y en otros similares indican la presencia de variaciones anuales y temporales de As y F en el agua subterránea de la ciudad de Durango. En el presente estudio, las mediciones anuales repetidas en un periodo de cinco años en la gran mayoría de los pozos y algunos tanques permitió analizar de manera sistemática si estas variaciones son estadísticamente significativas. Mediante la prueba de Friedman se determinó que en el periodo de análisis las variaciones anuales de As y F en el agua subterránea de la ciudad de Durango son significativas (p-valor < 0.01). Un análisis más detallado por comparación entre pares usando el test de Conover, encontró que sólo no hubo diferencias significativas en los niveles de As determinados en los años 2013 y 2014. En el caso del F no hubo diferencias significativas entre los años 2012, 2013 y 2014.
Considerando que las determinaciones analíticas de As y F fueron efectuadas en el mismo laboratorio, condiciones similares de muestreo (información verbal de AMD) sugieren que otros factores locales a corto plazo, como los cambios en la evaporación, precipitación o la extracción, provocan estas variaciones interanuales. También las variaciones estacionales no consideradas en el presente estudio por la resolución temporal de los datos pueden aumentar las variaciones interanuales observadas.
Se encontró una correlación media entre As y F al comparar todas las observaciones del periodo de estudio mediante el test de rangos de Spearman (0.39) y además resultó significativa (p-valor < 0.01). Ello apunta a que los mecanismos que provocan las variaciones observadas afectan en diferente grado los niveles de As y F. Por ejemplo, se ha reportado que sólo las concentraciones del F se incrementan por cambios en la evapotranspiración y la evaporación en regiones áridas y semiáridas (Jacks, Bhattacharya, Chaudhary, & Singh, 2005).
Distribución espacial de los niveles de As y F
En el periodo de análisis, las zonas noreste (zona I), noroeste (zona II) y sureste (zona III) presentaron mayores concentraciones de As que la zona suroeste (zona IV) (Figura 3). La distribución espacial de los niveles de As descrita en el presente estudio coincide con la presentada en estudios anteriores. Los estudios de Alarcón et al. (2001) y Molina-Frechero et al. (2013) encontraron mayores niveles de As en la parte norte, noreste y este.
Las zonas con las concentraciones más altas de F coinciden en su mayor parte con las áreas con las concentraciones más altas de As. En general, las que presentan mayores niveles de F son las zonas noreste (zona I), noroeste (zona II) y sureste (III). Algunas partes de ellas alcanzan concentraciones de siete veces el valor de referencia (Figura 4). La zona del suroeste (zona IV) es la que tiene los niveles más bajos de F y también de As; en ella predominan concentraciones de F de 2 a 3 veces el valor de referencia. La distribución espacial de los niveles de F encontrados en este estudio coincide en gran parte con la presentada por Ortíz et al. (1998), Alarcón et al. (2001), y Molina-Frechero et al. (2013).
Alarcón et al.(2001) señalan que el origen de las altas concentraciones de As es natural, pues en la zona no se efectúan actividades antrópicas importantes que favorezcan la incorporación del As en las aguas subterráneas. Además, la estructura acuífera aluvial en gran parte en la zona de estudio (SGM, 2015a; SGM, 2015b) no confinada (Conagua, 2015 favorece la incorporación de As al agua y es característico de los acuíferos con concentraciones altas de As (Arreguín, Chávez, & Soto, 2010; Ahmed et al., 2004).
Respecto al posible origen de la distribución de fluoruros en el área de estudio, cada vez hay más evidencia que indica que el contenido de concentraciones anómalas de F en agua subterránea proviene del F presente en los minerales ricos en este elemento, como la fluorita, apatita y mica presentes en las rocas volcánicas riolitas y tobas (Knappett et al., 2018; Banajarani et al., 2019). Este tipo de estructura geológica terciaria está distribuida en gran parte de la zona de estudio; ello sugiere el origen geológico de los altos niveles de F en el agua subterránea de la ciudad de Durango.
También se identificó que en las zonas I, II y III, que presentan mayores concentraciones de As y F, predomina la estructura aluvial limosa arenosa, a diferencia de las zonas suroeste (zona IV), con depósitos areno-limosos. Este tipo de matriz acuífera, junto con la dirección del flujo de agua subterránea de suroeste a noreste, puede estar determinando en gran parte la configuración de la distribución de tales elementos.
En la zona de estudio se observó un aumento de los niveles de As en los últimos dos años (2015 y 2016). Las zonas con mayores concentraciones de As en el área de estudio (zonas I, II y III) presentan un incremento mayor que en el área con menor nivel de As (zona IV) (Figura 5a). Los incrementos en los niveles de As observados en estas zonas pueden ser resultado de la reducción de la capa freática, causada por la mayor extracción de agua subterránea efectuada ahí (Figura 1), donde la extracción es de 2 a 4 veces mayor, que en la zona con menores niveles de As (zona IV). Lo anterior se debe a que en estas zonas la densidad de población es mayor y concentra gran parte de actividades industriales en el área de estudio. El aumento de As ante la disminución del nivel freático puede ocurrir cuando la oxidación de minerales con sulfuro que contienen arsénico, principalmente arsenopirita (AsFeS2), aumenta por la mayor presencia de oxígeno causada por la extracción agua subterránea (Farooqi, Masuda, Kusakabe, Naseem, & Firdous, 2007; Navarro, González, Júnez-Ferreira, Bautista, & Cardona, 2017).
Figura 5 a) Variación espacio temporal de los niveles de As; b) variación espacio-temporal de los niveles de F.
A diferencia de las concentraciones de As, que aumentaron en los dos últimos años, en las concentraciones de F se observó una disminución en estos mismos dos años (2015 y 2016). Principalmente esta disminución se ha presentado en las zonas con mayores niveles de F zonas noreste (I), noroeste (II) y sureste (III); la zona con niveles más bajos, zona suroeste (zona IV), se ha mantenido más estable (Figura 5b). En el caso de F, la mayor extracción de agua subterránea efectuada en las zonas I, II, III debería favorecer los incrementos en los niveles de F en estas zonas, tal como se ha reportado en otros acuíferos aluviales (Huízar-Álvarez, Carrillo-Rivera, & Juárez, 2016; Knappett et al., 2018). Sin embargo, contrariamente en estas zonas se encontraron disminuciones estadísticamente significativas de los niveles de F. Este comportamiento puede ser resultado del bombeo constante, que induce a cambios en la hidrodinámica del agua subterránea; al respecto, se ha observado disminución de niveles de F en el agua subterránea en algunos acuíferos por tal factor (Abdellah, Abdel-Magid, & Yahia, 2012). Sin embargo, también se debe considerar que estos cambios pueden ser respuesta de la gran influencia que tiene la evaporación e infiltración en las concentraciones de F en las regiones áridas de México y en otras partes del mundo (Rasool et al., 2017).
Conclusiones
Considerando los niveles de As y F reportados en éste y otros estudios revisados, el uso del agua subterránea de la ciudad de Durango, México, para el abastecimiento público representa un grave riesgo a la salud. En el periodo de estudio, todas las mediciones de As (n = 455) y de F (n = 473) realizadas en las fuentes de abastecimiento público de agua en la ciudad excedieron los LMP establecidos como seguros por la OMS, de 10 y 1.5 mg/l para As y F, respectivamente.
El 88% de las concentraciones de As se encuentra en el rango de 20 a 35 μg/l, predominando los niveles de concentración de As en agua, que superan de 2 a 3 veces el LMP de la OMS. Considerando el valor de la NOM-127-SSA1-1994, alrededor de 50% de las mediciones en el periodo de estudio se encuentran por debajo del LMP de 25 μg/l para As. El 84% de las mediciones de F está en el rango de 3 a 6 mg/l, por lo que las concentraciones de F superan de 2 a 4 veces el LMP de 1.5 mg/l de los dos organismos mencionados.
La zona sureste presentó los niveles más bajos y estables de As y F. Las zonas con los niveles más altos de As y F fueron la noreste, sureste y noroeste. El estudio temporal de las concentraciones de As y F en el agua subterránea de la ciudad de Durango permitió identificar que existen variaciones interanuales significativas (p-valor < 0.010). Al final del periodo (2015 y 2016) se observó un aumento en los niveles de As y una tendencia a la disminución de los niveles de F. En las zonas con los niveles más altos de As y F (noreste, sureste y noroeste), se observó un mayor aumento en los niveles de As y un ligero descenso de los niveles de F (p-valor < 0.01). El estudio temporal y espacial sugiere que el tipo de depósitos aluviales y las rocas volcánicas del basamento como tobas y riolitas puede estar influyendo en la presencia de As y F. Sin embargo, factores locales, como la extracción, precipitación y evaporación pueden incrementar las variaciones interanuales espacio-temporales observadas.
