Introducción

En el noroeste de México, en la cuenca hidrológica del Río Mayo, la Comisión Nacional del Agua (^{CONAGUA, 2009}) , estableció que el acuífero principal y de mayor interés práctico es el del Valle del Mayo. En el área que ocupa este acuífero se ha desarrollado intensivamente la agricultura de riego, mediante la operación del Distrito de Riego Río Mayo (DR 038).En esta zona se practica la mayor explotación de agua subterránea y actualmente ya se alcanzó el relleno aluvial con las perforaciones más profundas (450 m) (^{PLANIMEX, 1970}).

Las características geológicas del subsuelo y el comportamiento de la variación de la carga hidráulica en el tiempo, en pozos de bombeo, al igual que observaciones realizadas durante diversas pruebas de bombeo, indican que el medio hidrogeológico del área de estudio corresponde a un sistema granular y fracturado, de comportamiento hidráulicamente libre, y con características heterogéneas y anisótropas (^{PLANIMEX, 1970}). En esta región, el agua subterránea se mueve en general desde el norte y noroeste hacia el suroeste. La profundidad a la que se encuentra el nivel freático del acuífero varía de 5 a 30 m, mientras que su espesor saturado es del orden de los 100 a 140 m de agua no-salina (^{CONAGUA, 2009}).

El acuífero del Valle del Mayo está ubicado en la región árida del estado de Sonora. Debido a los limitados escurrimientos superficiales, es la principal fuente de agua para uso urbano e industrial y es fundamental para la producción agrícola del DR 038. La calidad del agua en el acuífero ha disminuido por problemas de salinidad debido a la sobreexplotación y a la intrusión de agua marina, así como por la contaminación con metales pesados y agroquímicos derivado de actividades antropogénicas (^{CONAGUA, 2003}). La calidad del agua en una región agrícola es un factor importante que repercute en la sustentabilidad de esa actividad, debido a que una baja calidad en este recurso, reduce los rendimientos y causa toxicidad en los cultivos.

Estudios sobre la calidad del agua subterránea establecen que en el acuífero Valle del Mayo predomina el agua de calidad tolerable, y puede hallarse agua del tipo dulce como salada. Los mayores contenidos de sólidos disueltos totales (STD) se ubican en el centro del valle y exceden los 3,000 mg/L (^{INEGI, 1993}). ^{Canales-Elorduy y & Robles-Contreras (1997)} encontraron 4,000 mg/L en pozos exploratorios profundos y 90,000 mg/L en pozos de la línea costera, cerca de Yávaros.

La calidad del agua está regida por sus carácterísticas físicas, químicas y biológicas, las cuales sirven para evaluar su aceptabilidad de acuerdo al uso que se le de. Por lo tanto, la calidad del agua está en función del uso destinado y de los parámetros que se empleen para medir tales características (^{Chapman, 1996}). En la evaluación de calidad del agua para uso agrícola se utilizan generalmente los criterios propuestos por la FAO (^{Ayers &Westcot 1985}).

La hidroquímica de un acuífero está determinada por procesos naturales como la precipitación, la depositación atmosférica de sales, la evapotranspiración, las interacciones agua-roca/suelo y las actividades antropogénicas.Tanto los procesos naturales como los antropogénicos varían en tiempo y en espacio, lo cual resulta en variaciones hidroquímicas espaciales y temporales en una región (^{Machiwal & Jha, 2015}). El acuífero del Rio Mayo es afectado por factores naturales y antropogénicos, principalmente por la agricultura de irrigación y dado que es un acuífero costero, tiene también un alto riesgo de intrusión salina (^{CONAGUA, 2003}). Además es un acuífero aluvial con zonas permeables y con niveles estáticos someros, que lo hacen vulnerable a la contaminación (^{Martínez- Cruz, 2015}).

Esta investigación tuvo como objetivo determinar los patrones hidroquímicos presentes en el acuífero del Valle del Mayo, así como los factores que influyen en su distribución espacial, con el propósito de identificar los procesos que afectan la calidad del agua en el acuífero para su uso agrícola utilizando el diagrama de Piper y la técnica estadística de análisis de componentes principales (PCA). La información obtenida contribuirá y dará soporte a la toma de decisiones para la protección y manejo adecuado del agua del acuífero.

Materiales y Métodos

Marco físico del área de estudio. El área de estudio fue el Distrito de Riego 038, Río Mayo, Sonora, localizado en la porción sureste del acuífero del Valle del Mayo. Dicho acuífero forma parte de la región administrativa número dos del Organismo de Cuenca del Noroeste (OCNO) de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA). Se ubica entre los paralelos 26°45' y 27°15' LN, y los meridianos 109°30' y 110°00' LO, y abarca los municipios de Navojoa, Etchojoa y Huatabampo (Fig. 1). Sus límites son, al norte con el Distrito de Riego 041 Río Yaqui, al este con la Sierra Madre Occidental, al sur con el Estado de Sinaloa y al oeste con el Golfo de California (^{INEGI, 1993}; ^{Canales-Elorduy& Robles-Contreras, 1997}).

Figura 1 Localización del área de estudio (Valle del río Mayo, en el Distrito de Riego 038, Sonora, México). 

El clima predominante, por su grado de humedad, varía de muy seco a semiseco; y por su temperatura, de muy cálido a semicálido en la mayor parte del área. La temperatura media anual oscila entre 20 y 22°C, registrándose la más elevada en el oeste y en las cañadas del Río Mayo y la más baja en el este, donde el relieve es montañoso. La evaporación potencial es del orden de 2,400 mm. La precipitación media anual fluctúa de 200 a 400 mm en la parte baja de la cuenca y de 750 mm en la parte alta, localizada en la Sierra Madre Occidental (^{CONAGUA, 2009}). Los aridosoles son los suelos predominantes en la región, aunque en el área del Distrito del Rio Mayo, predominan los entisoles (fluevents). En la parte alta del Distrito se encuentran algunos inceptisoles. En general los suelos son profundos, con texturas que van de arcilla a franco arcillosa, aunque se encuentran texturas arenosas en los suelos ubicados a lo largo del cauce del rio Mayo (^{CONAGUA, 2005}).

En el área del Distrito 038 la mayor superficie se destina al uso agrícola, por lo que la vegetación nativa se ha reducido considerablemente. Los principales cultivos del ciclo otoño-invierno en el Distrito son trigo, maíz y cártamo y para el ciclo primavera-verano son algodón, maíz y cártamo. La vegetación nativa se compone de matorrales arbocrasicualescentes, árboles bajos, arbustos medios y algunas cactáceas (^{CONAGUA, 2005}).

Muestreo. Se obtuvo información hidroquímica de 54 pozos profundos a partir de información disponible en la Comisión Nacional del Agua y también del análisis de muestras tomadas en campo durante los años 2005 al 2007. La ubicación y distribución de los pozos utilizados con información hidrológica y de calidad del agua, se observan en la Figura 2. Para la recolección de las muestras, primero se bombeó el pozo durante unos minutos, para así obtener agua representativa del acuífero. La muestra se almacenó en un recipiente de polietileno de 500 ml y se llevó al laboratorio siguiendo los procedimientos de muestreo establecidos (^{APHA, 1998} y ^{Brown et al., 1983}).

Figura 2 Pozos con información hidroquímica en la zona del Valle del Mayo, Sonora, México. 

Procedimientos analíticos. Los análisis fisicoquímicos fueron llevados a cabo en el laboratorio de la Dirección Técnica del Organismo de Cuenca Noroeste de la CONAGUA y en el laboratorio de Ciencias Ambientales del Posgrado en Hidrociencias del Colegio de Postgraduados. Se realizaron los procedimientos analíticos presentados en la Tabla 1. La determinación de la conductividad eléctrica y del pH se realizó en campo, con un equipo Hanna HI98130, el cual fue calibrado previamente. Después de determinar los iones principales, se realizó un balance de cationes y aniones en términos de equivalentes químicos (Eq), para corroborar el grado de precisión de los análisis químicos (^{APHA, 1998}), mediante la siguiente ecuación:

e = (Σ cationes - Σ aniones) / Σ cationes + Σ aniones) *100.

Donde e= Porcentaje de error de balance iónico;

Σ cationes= Suma de cationes en (Eq), y

Σ aniones= Suma de aniones en (Eq).

Cincuenta muestras de las cincuenta y cuatro incluidas en el estudio, cumplieron con un error de balance iónico aceptable (≤ 5%).

Tabla 1 Procedimientos analíticos y equipos utilizados en la determinación de parámetros de calidad de agua de pozos del acuífero del Valle del río Mayo, Sonora, México (2005-2007). 

dS= Decisiemens.

Clasificación hidroquímica mediante el diagrama de Piper. Los diagramas de Piper (^{Piper, 1944}) muestran la concentración relativa de los iones fundamentales en equivalentes químicos, cationes (Ca²⁺, Mg^2+, Na⁺, K⁺⁾ y aniones (Cl⁻, SO₄ ^2-, HCO₃ ⁻⁾. Previo a la proyección de las muestras en el diagrama de Piper, éstas se agruparon en tres zonas considerando los cambios en el nivel estático (^{Luque, 2013}) y la variación en la geología (^{CONAGUA, 2009}), factores que influyen en la hidroquímica del acuífero. Se observó que sobre el cauce del rio y la poción del centro hacia la costa, se presentan los mayores niveles estáticos. Con respecto a la geología, se reconoció una estratigrafía diferente en el noreste del acuífero con respecto al sureste del mismo. El Grupo 1, denominado cercanías del Río Mayo, agrupó a las muestras provenientes de los pozos situados a una distancia de influencia de 400m hacia ambos lados del cauce del rio; los pozos situados a partir de la cota 14 m hacia el noreste, se clasificaron como parte norte (Grupo 2), y los pozos de la cota 14 m hacia el sureste se clasificaron como zona centro sur (Grupo 3).El número de pozos que correspondió a los grupos 1, 2 y 3 fueron 12, 12 y 30, respectivamente. La Figura 3 muestra la distribución espacial de tales grupos.

Figura 3 Distribución espacial de la clasificación por grupos de los pozos del acuífero del Valle del Mayo. 

Correlación estadística y análisis multivariado de parámetros. Se empleó la técnica de análisis de componentes principales (PCA) para el agrupamiento estadístico hidroquímico de las muestras. Dicha técnica ha sido utilizada en varios estudios para la clasificación efectiva de muestras de agua (^{Raiber et al., 2012}; ^{Woocay & Walton, 2008}). A partir de las variables o parámetros de calidad de agua existentes, se forman nuevas variables o componentes principales (PC), siendo los más importantes los que explican la mayor parte de la varianza en el conjunto de datos; mientras que el número de PC formados, indica el número total de posibles fuentes de variación en la calidad del acuífero (^{Charfi et al., 2013}).En la selección de los componentes principales se empleó el valor eigen el cual debe ser mayor a uno, una vez rotada la matriz por el método varimax (^{Kim & Mueller, 1987}).En la selección de las variables de cada componente se siguieron los criterios establecidos en ^{Liu et al. (2003)}; de esta manera sólo se asociaron aquellas variables que estuvieran correlacionadas al componente de muy fuerte y moderadamente, considerando la clasificación de coeficientes de correlación de acuerdo a los siguientes valores: muy fuerte (>0.75), moderado (0.75- 0.50) y débil (0.50-0.30).

Antes de iniciar el análisis multivariado, se determinó si la distribución de los parámetros se ajustaban a la log-normal por medio de la prueba estadística de Kolmogorov-Smirnov, debido a que las pruebas requieren una distribución log normal (^{Shrestha & Kazama, 2007}). Este test indicó que los parámetros hidroquímicos de las muestras tuvieron una distribución log-normal (p-value <0.05).

Uno de los primeros pasos al efectuar el PCA fue realizar una matriz de correlaciones, ya que esta técnica requiere que las variables tengan fuertes correlaciones entre sí (^{Lawrence & Upchurchi, 1982}). Se utilizó la correlación de rangos de Spearman para caracterizar y cuantificar la relación entre los parámetros fisicoquímicos determinados en las muestras del acuífero. Las rutinas para determinar los estadísticos descriptivos, la distribución de las variables, la matrices de correlación, el análisis multivariado y los gráficos de PCA se corrieron en el programa estadístico R package versión 2.15.2.

Índices de salinidad. De acuerdo con ^{Palacios-Vélez y Aceves-Navarro (1970)} en la evaluación de la salinidad para su uso agrícola, los criterios de salinidad determinan el riesgo de que el uso de agua ocasione altas concentraciones de sales, con el correspondiente efecto osmótico y disminución del rendimiento de los cultivos. Por otra parte, también establecen que los criterios de sodicidad indican el riesgo de que se induzca un elevado porcentaje de sodio intercambiable (PSI), con deterioro de la estructura del suelo y una reducción severa en la tasa de infiltración del agua en el suelo. Por ello se evaluaron los niveles de salinidad mediante los sólidos disueltos totales (SDT), la relación de adsorción de sodio (RAS) y se consideraron los criterios para la interpretación de la calidad del agua para su uso agrícola de la FAO presentados por ^{Ayers y Westcot (1985)}.

Variación espacial de la calidad del agua. La georeferenciación de los pozos permitió la localización espacial en el acuífero de los tipos hidroquímicos determinados en el acuífero. También permitió generar capas de isoconcentraciones para la representación de la distribución espacial de las variables. Se utilizaron métodos de interpolación determinísticos (IDW) y geoestadísticos (Krigin), mediante el software Arc-map 9.3.

Resultados

La Tabla 2 presenta los estadísticos descriptivos determinados en las muestras de agua de los pozos del acuífero. Los sólidos disueltos totales y la conductividad eléctrica variaron en un rango de 164 mg/L a 5339 mg/L y 0.23 dS/m a 6.85 dS/m respectivamente. El orden de abundancia de los cationes en el acuífero fue el siguiente Ca²⁺>Na⁺>Mg²⁺ y para aniones SO₄ ^2->HCO₃ ⁻>Cl⁻>CO₃ ²>NO₃ ^-.Las grandes variaciones en estos parámetros son el resultado de la incorporación de sales por la irrigación y la intrusión de agua salina que afecta a ciertas áreas del acuífero.

Tabla 2 Estadísticos descriptivos de parámetros fisicoquímicos de muestras de agua del acuífero del Valle del Mayo, Sonora, México. 

*dS= Decisiemens. ** = Debajo de límite de detección.

Clasificación hidroquímica. De acuerdo al diagrama de Piper (Fig. 4), en los tres grupos se observó una composición iónica dominante. Las muestras cercanas al Río Mayo (Grupo 1) correspondieron en su gran mayoría a aguas bicarbonatadas magnésicas-cálcicas. En la parte norte del distrito (Grupo 2), 19 de 30 muestras se clasificaron como sulfatadas; de las cuales 7 muestras estaban asociadas al catión calcio, 4 al catión sodio y 7 a cationes mixtos. También se encontraron 9 muestras bicarbonatadas cálcicas-magnésica y dos con aniones y cationes del tipo mixto. En la parte centro-sur (Grupo 3), cinco de 12 muestras, fueron cloruradas-sódicas; las otras fueron asociaciones del anión clorurado con cationes cálcicos, magnésicos y mixtos. Aunque hubo predominio de ciertos cationes en cada grupo encontramos otras asociaciones dentro de ellos, lo que refleja que los criterios en la formación de grupos no son exactos y que las características del acuífero, que determinan la hidroquímica del mismo, cambian aun dentro de los grupos establecidos.

Figura 4 Clasificación hidroquímica en diagrama de Piper de los pozos del acuífero del Valle del Mayo, analizados por grupos. 

Tratamiento estadístico multivariante de muestras del acuífero. El análisis exploratorio indicó que varios parámetros estan altamente correlacionados linealmente con coeficientes de Pearson de hasta 0.94 y estas relaciones son altamente significativas (p<0.01) (Tabla 3). La correcion estadistica entre especies iónicas de origen mineral Ca²⁺y Mg²⁺,indica la influencia de los procesos de interacción agua-roca.

Tabla 3 Coeficientes de correlación entre 10 parámetros determinados en el agua del acuífero Valle del Mayo, Sonora, México. 

*Correlación significativa a 0.05, **Correlación significativa a 0.01.

Los coeficientes de correlación entre los componentes principales (PC) y las variables, el porcentaje de varianza explicada por cada componente y la comunalidad para cada parámetro, son presentados en la Tabla 4. Cinco componentes explicaron el 85.5% de la variabilidad de los datos, aunque sólo los tres primeros componentes tuvieron variables fuerte y moderadamente correlacionadas. Con base en los coeficientes de las variables incluidas en el PCA, se calcularon los coeficientes para los 54 pozos y se agruparon en los tres primeros componentes; con lo cual se obtuvo un clúster de cada conjunto de pozos relacionado con un PC (Fig. 5).También en esta figura puede verse la relación entre las variables incluidas en el (PCA) y los tres primeros componentes.

Tabla 4 Coeficientes de correlación del análisis de componentes principales para los parámetros determinado en el agua del acuífero Valle del Mayo, Sonora, México. 

Un coeficiente en negro y subrayado indica que el parámetro está muy fuertemente (>0.75) o moderadamente correlacionado (0.75-0.50) al componente.

Figura 5 Relación entre los coeficientes de las variables y muestras del análisis PCA para los tres primeros componentes. 

El PC1 explicó el 36% de la variabilidad de los datos y se encontró una fuerte asociación entre las variables SDT, Cl^-, Na⁺ con coeficientes de correlación entre el componente y los parámetros de 0.774 a 0.891. En este componente se agruparon la mayoría de las muestras del Grupo 3, provenientes de pozos ubicados en el centro sur del Distrito. El componente principal 2 (PC2) contó con el 24.2 % de la varianza explicada y tuvo una fuerte asociación entre los iones NO₃ ^- y Ca⁺+Mg²⁺. En el clúster del PC2 se agrupó gran parte de las muestras del Grupo 1. Estas muestras son las más cercanas al rio Mayo, donde se presentaron los niveles más altos de NO₃ ^- (Fig. 6).

Figura 6 Isolineas de concentración de nitrato en el acuífero Valle del Mayo. 

En el PC3, con el 10.8 % de la varianza explicada, se encontró una fuerte correlación entre el SO₄ ^2-, CO₃ ^2-, HCO₃ ^-y pH.Gran parte de las muestras del Grupo 2 que en su mayoría son sulfatas y con una proporción importante de muestras bicarbonatadas, se agrupó en este componente. La relación entre el pH y los carbonatos puede ser atribuida a la alcalinidad debido a la disolución de estos materiales (^{Sappa et al., 2015}). Los componentes principales PC4 y PC5 representan procesos mixtos o zonas de transición, pues no hubo parámetros fuertemente correlacionados a estos componentes.

Salinidad del agua. Los SDT es un parámetro que engloba en cierta medida la calidad del agua. Se encontró que el 45% de los pozos muestreados tienen una calidad aceptable para consumo humano, considerando la NOM- 127-SSA1-1994 (^{SSA, 1995}). En el caso de la calidad para uso agrícola el 33 % de los pozos son aceptables, de acuerdo con los criterios para riego agrícola de la FAO presentados por ^{Ayers & Westcot (1985)}. Interpolando los valores de SDT en el área del acuífero, para observar su comportamiento espacial, se encontró que a partir de la cota 13 m hacia el norte, la calidad mejoró, y que partir de este nivel hacia la costa las concentraciones sobrepasan los 1,500 mg/L, llegando incluso a concentraciones de 5,000 mg/L en las partes cercanas a la costa (Fig. 7).

Figura 7 Isolineas de concentración de sólidos disueltos totales (SDT) en el acuífero Valle del Mayo. 

En el Grupo 1, 10 de 12 muestras tuvieron un RAS menor a 3 y un rango de conductividad de 400 a 2,000 mg/L de SDT, que se corresponde con un grado de restricción ligero a moderado con respecto a la infiltración y salinidad. Las muestras en el norte del Distrito, al igual que el grupo anterior, tuvieron un grado de restricción ligero a moderado con respecto a la infiltración, pero ningún riesgo en caso de la salinidad. Por el contrario, el caso de las muestras de agua del Grupo 2, 9 de 12 fueron clasificadas con fuerte restricción en su uso agrícola por problemas de infiltración y salinidad.

Discusión

La agrupación de muestras por medio de diagramas de Piper y el uso del PCA, permitió identificar las variaciones espaciales en la hidroquímica del acuífero del Valle del Mayo, las cuales obedecen en gran parte a la geología, la recarga natural en el acuífero, la actividad agrícola en la superficie y la intrusión de agua salina en el subsuelo. En la zona cercana al Rio Mayo (Grupo 1), con los niveles estáticos más someros (^{Luque, 2013}), se encontró en su mayoría aguas del tipo bicarbonatadas cálcicas - magnésicas y bicarbonatadas- sódicas, que indican un menor grado de mineralización, porque la infiltración marina es reciente (^{Suma et al., 2015}). En esta zona (Grupo 1) el poco tiempo de residencia del agua y la presencia de niveles estáticos someros indican mayor vulnerabilidad a la contaminación. Esto facilita la incorporación de nitratos producto de la actividad agrícola en esta parte del acuífero. El PCA confirmó que la mayor parte de los pozos del Grupo 1 se caracterizan por tener niveles altos de nitratos. También se puede apreciar en el mapa de isoconcentraciones de NO₃ ^-, que las zonas del grupo 1 presentan mayores contenidos de NO₃ ^-.

La presencia de varias muestras sulfatadas en la parte norte del Distrito (Grupo 2), se debe a la circulación de esta agua por depósitos sedimentarios evaporíticos, los cuales ocurren en esta parte del acuífero (^{CONAGUA 2009}). Aunque otra posible fuente podría ser la aplicación de fertilizantes sulfatados en la región, esto último parece ser menos probable, porque se usan bajas dosis de fertilizantes sulfatados en el DR 038 (^{CONAGUA, 2005}) y de acuerdo con ^{Mudarra y Andreo (2011)}, el sulfato tiene fuerte absorción en la zona no saturada. Debido a ésto, es poco común que ocurra una contaminación por este compuesto, salvo que existan fracturas o macroporos en el suelo. El caso de las 9 muestras bicarbonatadas de la zona norte (Grupo 2), provenientes de pozos cercanos a la zona del Grupo 1, refleja que en esta parte de la zona norte hay una región de transición entre distintos tipos hidroquímicos. Las muestras del Grupo 3, las cuales provienen de pozos ubicados en la línea costera, que es la zona de descarga del acuífero, tuvieron composición cloruro sódica en 6 de 12 muestras y las restantes tuvieron asociaciones del ion cloruro con los cationes calcio, magnesio y mixtos. De acuerdo al PCA estas muestras se caracterizaron por estar correlacionados con mayores niveles de SDT. Este tipo de agua indicó que en esta zona existe salinización del acuífero generada por la intrusión de agua de mar al subsuelo y seguramente también por la incorporación de las sales de la irrigación.