ÍNDICE DE CALIDAD DEL AGUA EN LA CUENCA DEL LAGO POOPÓ -URU URU APLICANDO HERRAMIENTAS SIG

Israel Quino; Jorge Quintanilla *
Laboratorio de Hidroquímica, Instituto de Investigaciones Químicas, UMSA, C.P. 303, La Paz - Bolivia, Proyecto: "Gestión de
Cuencas Áridas y Semiáridas con Influencia Minera - CAMINAR"

Keywords: Índice de calidad, geoestadística, interpolación matemática.

The spatialization of possible contaminants in bodies of water within the Lake Poopó and observing their changes according to time, are of utmost importance for the analysis of this problem, from this analysis can establish an index water quality, allowing assessment of water quality spatially throughout the basin. We assessed the quality of water in the Lake Poopó - Uru Uru, based on a water quality index that is obtained by taking into account a classification of the chemical analysis results with respect to the permissible limits considered in the development of CAMINAR project, these are expressed as a percentage of puré water and highly contaminated water ICA will cióse or equal to zero percent, while in the water in excellent condition index valué will be cióse to 100%, this rate will apply tools for Geographic Information System (mathematical interpolation) for optimal viewing through maps that can be interpreted very simply by the general public. The water quality index spatialized throughout the basin, shows that agricultural áreas have higher water quality, most mining áreas have lower water quality and evidenced the phenomenon of dissolution of minerals and salts from the soil by groundwater and surface water.

RESUMEN

La espacialización de los posibles contaminantes de los cuerpos de agua dentro de la cuenca del lago Poopó y la observación de sus cambios en función al tiempo, son de suma importancia para el análisis de esta problemática, a partir de este análisis se puede establecer un índice de calidad de aguas, que permita apreciar espacialmente la calidad del agua en toda la cuenca. Se evaluó la calidad del agua en la cuenca del lago Poopó - Uru Uru, en base a un índice de calidad del agua que es obtenido teniendo en cuenta una clasificación de los resultados de los análisis químicos con respecto a los límites permisibles considerados en el desarrollo del proyecto CAMINAR, estos están expresados como porcentaje del agua pura; así el agua altamente contaminada tendrá un ICA cercano o igual a cero por ciento, en tanto que en el agua en excelentes condiciones tendrá un valor del índice será cercano a 100%, a este índice se le aplico herramientas de Sistema de Información Geográfica (interpolación matemática) para su visualización más óptima a través de mapas que puedan ser interpretados con mucha sencillez por el público en general. El índice de calidad del agua espacializado de toda la cuenca, muestra que las zonas agrícolas presentan aguas de mejor calidad, las zonas con mayor actividad minera presentan menor calidad de sus aguas y se evidencio el fenómeno de disolución de minerales y sales del suelo por parte del agua subterránea y superficial.

INTRODUCCIÓN

El incremento de la contaminación de los cuerpos de agua en general ha hecho que en las últimas décadas se realicen numerosas investigaciones en torno al índice de calidad del agua, los cuales buscan generar programas de control y vigilancia de la calidad de las aguas [4] y [5]. Aunque en nuestro medio existen muchas investigaciones reportadas sobre el índice de calidad de aguas, estas en su mayoría son muy localizadas. En un estudio comparativo realizado con investigaciones de distintos países respecto a índices de calidad de aguas, se indica que los parámetros regularmente utilizados para la valoración de la calidad del agua son los fisicoquímicos [3]. En la cuenca de los lagos Poopó y Uru Uru se realizan diferentes tipos de actividades desde mineras hasta agrícolas, las actividades mineras y los pasivos mineros traen consigo un impacto negativo sobre el medio ambiente por el uso de aguas de curso natural, en esta cuenca la problemática principal radica fundamentalmente en el deterioro de los cuerpos de agua debido a la actividad minera y como consecuencia se tiene la presencia de metales pesados en gran magnitud [2]. La espacialización de los puntos de muestreo y sus características, así como los posibles contaminantes de los cuerpos de agua dentro de una cuenca hidrográfica, son de suma importancia para el análisis de esta problemática, además de la observación de sus cambios en función al tiempo. A partir de este análisis se puede establecer un índice de calidad de aguas (ICA), que permita apreciar espacialmente la calidad del agua en toda la cuenca. En el presente trabajo se analiza la situación de la calidad del agua en la cuenca del lago Poopó - Uru Uru, en base a un índice de calidad del agua obtenido a partir de parámetros fisicoquímicos, aplicando herramientas de Sistema de Información Geográfica (interpolación matemática) para su visualización más óptima. Existen distintas técnicas de interpolación matemática que pueden ser utilizadas para generar estas superficies de valores estimados a partir de un conjunto de puntos de monitoreo ubicados en distintos lugares del área de estudio. La calidad del resultado depende de muchos factores uno de los cuales es la propia naturaleza del fenómeno estudiado. Hay sistemas y fenómenos que presentan comportamientos regulares en el espacio y en el tiempo que son más fáciles de estudiar; otros son fenómenos que contienen un componente muy importante de aleatoriedad. Claro que otro aspecto muy importante para estudiar y prever la distribución de estos fenómenos es la calidad de la red de monitoreo, su distribución espacial y temporal, su representatividad con respecto a la escala del fenómeno y la fiabilidad de los datos [6]. El resultado de la aplicación de estas metodologías a un conjunto discreto de puntos con datos de monitoreo, permite generar una distribución de valores de la variable continua para todo el área de estudio. Los mapas resultantes de estas distribuciones son muchas veces la base del análisis de riesgos, de la toma de decisiones económicas y de las estimaciones que impliquen como variable la incertidumbre asociada al fenómeno natural y que permitan a los analistas tomar decisiones científicamente más sólidas.

Calidad del agua

El término calidad del agua es relativo, referido a la composición del agua en la medida en que esta es afectada por la concentración de sustancias producidas por procesos naturales y actividades humanas. [10]

En un contexto general las herramientas de interpolación son utilizadas para estudiar y evaluar algún fenómeno que ocurre en un medio natural que nos interesa (por ejemplo, la contaminación del suelo, del agua o del aire o el contenido de oro u otro metal en un área). Los estudios exhaustivos son muy costosos y requieren mucho tiempo, así que el trabajo se caracteriza en general por la toma de muestras en diferentes lugares. Las técnicas de interpolación se utilizan para generar las predicciones de los valores y estructura del fenómeno en las restantes áreas no muestreada [6].

Figura 1. Proceso de interpolación

índice de Calidad del Agua

El índice de Calidad del Agua (ICA) indica el grado de contaminación del agua a la fecha del muestreo y está expresado como porcentaje del agua pura; así el agua altamente contaminada tendrá un ICA cercano o igual a cero por ciento, en tanto que en el agua en excelentes condiciones tendrá un valor del índice será cercano a 100% [6].

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Determinación de los puntos de mejor y menor calidad de agua dentro de la cuenca

Figura 2. Mapa de índice de calidad del agua de las aguas superficiales Determinación de la variación de la calidad del agua en base a la variabilidad climática

En la figura 3 se aprecia que existe influencia de la variación climática en la calidad de aguas. Se evidencia un efecto de disolución de sales y minerales en los cuerpos de agua estudiados. Ya que se tiene mayores áreas de color verde intenso en el periodo seco, mientras que en el periodo húmedo se tiene mayores áreas de color verde claro y anaranjado. En el periodo seco se observa que la calidad del agua es superior en la zona norte, en las poblaciones de Paria, Soracachi y Cayhuasi. De igual forma en la zona noroeste Tolaloma, Kulluri y Copacabanita. Y finalmente en la zona sureste: Huari, Challapata, Tacagua, Siquiri, como se conoce son áreas agrícolas. La influencia de uno de los brazos del río Desaguadero es notoria sobre la región suroeste del lago Uru Uru (área de color anaranjado) en ambos periodos, el agua de este río estaría provocando que la calidad de las aguas de esta región disminuya. Un fenómeno parecido se observa en las orillas suroeste y este del lago Poopó, especialmente en el periodo húmedo. Por ello también las aguas del lago estarían provocando que la calidad de las aguas de esta región este disminuyendo. Esta idea se refuerza debido a que como se sabe las aguas del lago son de muy baja calidad.

Figura 3. Mapas del índice de calidad del agua en los periodos seco y húmedo

EXPERIMENTAL

Descripción de la zona de Estudio

El área de estudio se encuentra en el departamento de Oruro que se ubica en el sector centro occidental de Bolivia, limitando al norte con el departamento de La Paz, al este con los departamentos de Cochabamba y Potosí, al sur con el departamento de Potosí y al oeste con la República de Chile. La cuenca del Lago Poopó y Uru Uru está ubicada en la parte central del Altiplano, entre las coordenadas 66°20' a 67°55' de longitud oeste 17°07'a 20°01'de latitud sur, sobre una elevación desde 3600 en la llanura a 5 400 m.s.n.m. en la parte de la cordillera oriental; la superficie total es de 24 013 km². Típicas del altiplano meridional son las cuencas cerradas de lagos y salares, con depósitos evaporíticos muy importantes. Estas cuencas representan los restos actuales de los grandes lagos altiplánicos del pleistoceno: periodos lacustres Taúca y Minchin. En el centro de la cuenca Poopó se tiene la planicie aluvial comprendida entre los 3700 m en el norte y 3600 m hacia el sur, en esta altiplanicie escurren sus aguas el río Desaguadero y sus efluentes al norte para formar los lagos Uru - Uru y el Lago Poopó más hacia el sur. El sector oriental de la cuenca del lago esta conformado en su mayor parte por vertientes sedimentarias disectadas de la Coordillera Oriental, salvo en el extremo sureste donde afloran las rocas volcánicas. Este sector montañoso se caracteriza por un denso retículo hidrográfico favorable a un escurrimiento rápido. La zona central y occidental de la cuenca está conformada, además del lago, por llanuras y terrazas fluviolacustres, con áreas de acumulaciones eólicas, las cuales moderan la velocidad de las aguas. Estas llanuras, pero especialmente sus áreas mas deprimidas, están sujetas a inundaciones periódicas y variables en las épocas de lluvias [1].

Base de datos

Se uso la base de datos producto de estudios e investigaciones realizadas en la cuenca de los lagos Poopó y Uru Uru, que fueron generados por distintas instituciones como ser: la cooperación europea con el Instituto de Investigaciones Químicas UMSA con el proyecto "Gestión de Cuencas Áridas y Semiáridas con Influencia Minera - CAMINAR", durante los años 2007-2009 en periodos secos, de transición y lluviosos, también la Cooperación Sueca ASDI-SAREC con el Instituto de Investigaciones Químicas UMSA con el Proyecto "Manejo de Recursos Hídricos-Hidroquímica de los Lagos Poopó y Uru-Uru" con datos del 2007 (periodos secos y lluviosos). Se contó con más de 120 puntos de muestreo que implican todos los cuerpos de agua (aguas superficiales, subterráneas y termales) dentro del área de la cuenca, durante los periodos 2001 - 2009. Se tiene datos de 16 campañas de colecta de muestra: dos en 2001, dos en 2002, uno en 2003, Junio 2007, Septiembre 2007, Noviembre 2007, Diciembre 2007, Enero 2008, Mayo 2008, Agosto 2008, Septiembre 2008, Noviembre 2008, Diciembre 2008 y Febrero 2009. Se analizo los siguientes parámetros fisicoquímicos: calcio, sodio, potasio, magnesio, sulfates, bicarbonatos, cloruros, nitratos, fosfatos, arsénico, plomo, cadmio, zinc, hierro, cobre y manganeso, además de los parámetros de campo: pH, Conductividad Eléctrica y Sólidos Totales Disueltos (STD). Todos los elementos fueron analizados en su estado disuelto.

Figura 5. Modelo de elevación digital, red de drenaje y subcuencas de drenaje de la cuenca del lago Poopó - Uru Uru

Aplicación del índice sintético de calidad del agua desarrollado por el proyecto CAMINAR

Este índice permite obtener una medida de la calidad del agua que se pueda aplicar y calcular automáticamente teniendo en cuenta las datos disponibles del monitoreo químico, su periodicidad, la variabilidad de los puntos muestreados y la variabilidad de parámetros analizados. El índice es obtenido teniendo en cuenta una clasificación de los resultados de los análisis químicos con respecto a los límites permisibles considerados en el desarrollo del proyecto CAMINAR para el caso de estudio de la cuenca del Lago Poopó.

•      Los valores de los límites permisibles utilizados en el desarrollo del proyecto, han sido compilados por el equipo de CAMINAR Bolivia, teniendo en cuenta la legislación nacional así como los valores indicativos de la OMS/OPS.

•      En términos finales, a este conjunto específico de límites permisibles aplicado en el desarrollo del trabajo, se ha designado como: "Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica (01/04/1996) de la Ley del Medio Ambiente N° 1333 (15/06/1996) [9] y la OMS (1997), adecuados a la realidad Boliviana, por Jorge Quintanilla Aguirre 2009 [7].

•      La formulación del índice tiene en cuenta trabajos existentes en la cuenca del Lago Poopó, en particular el trabajo de Israel Quino (2006) - "Determinación de la calidad fisicoquímica de las aguas subterráneas en la región norte y este del lago Poopó". Lie. Tesis. Universidad Mayor de San Andrés, Facultad de Ciencias Puras y Naturales, Carrera de Ciencias Químicas, con adaptaciones [8].

Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica (01/04/1996) de la Ley del Medio Ambiente N? 1333 (15/06/1996) y la OMS (1997)*

LIMITES PERMISIBLES EN CUERPOS DE AGUA NATURAL

*in an adaptation by Jorge Quintanilla Aguirre, 2009

SI =S¡n Información
CH=Consurro Humano; CA= Consumo Animal; R=R¡ago

Cuadro 1. Limites permisibles en cuerpos de agua natural

En la tesis de Quino el índice se basaba en 4 clases de calidad del agua; en el caso de CAMINAR, el índice tendrá en cuenta 3 clases de calidad del agua: consumo humano, consumo animal y riego. El numero y parámetros utilizados también es distinto en resultado de las disponibilidades de datos existentes en los dos momentos, pero en gran parte hay coincidencia. Por sugerencia del autor, se ha valorado la calidad del agua por parámetro de acuerdo con la siguiente escala:

•     Cumple límites para consumo humano     calidad 1

•     Cumple límites para consumo animal       calidad 0.66

•     Cumple límites para riego                     calidad 0.33

•     No cumple ninguno de los limites           calidad 0

Formulación:

Pi: es el impacto específico de un elemento químico de acuerdo con el tipo de uso de agua.

Qi: es la clasificación de cada parámetro para cada muestra de acuerdo con la aplicación de los limites permisibles (LP). Este valor es 0 si la concentración está por debajo del límite y es 1 si es superior al límite permisible.

i: es el número del parámetro a ser utilizado en el índice (hasta un máximo de 20).

La formulación del índice de calidad se modificó para el modelo de datos de la base de datos de la siguiente manera:

El proyecto diseño una modalidad para la entrega de informes a los interesados, en este caso el informe para los Municipios está organizado en tres niveles de detalle geográfico:

NIVEL 1 - Todo el territorio del Municipio.
NIVEL 2 - Los resultados por intersección de las subcuencas dentro del área del Municipio.
NIVEL 3 - Los resultados detallados para todos los puntos de monitoreo ubicados dentro del Municipio.

La estructura de los NIVEL 1 y NIVEL 2 del informe para los Municipios, tiene como objetivo presentar para el conjunto de puntos monitoreados, los cuales son los parámetros que más contribuyen para la contaminación y a través de los gráficos evolutivos de los distintos índices, dar una idea intuitiva y cualitativa de cómo la situación ha evolucionado.

Los documentos y gráficos del NIVEL 1 y del NIVEL 2 tienen el mismo tipo de lectura e interpretación, solamente el NIVEL 2 tiene mayor detalle geográfico y permite diferenciar distintas regiones del territorio de un Municipio.

Los informes del NIVEL 1 y NIVEL 2, contienen la siguiente estructura:

•     Porcentaje de muestras que exceden los límites permisibles del reglamento de la Ley 1333 [9] y de la OMS dentro del Municipio.

•     Evolución del nivel promedio de calidad del agua dentro del Municipio.

•     Evolución del nivel promedio de contaminación del agua por metales pesados dentro del Municipio.

La estructura del NIVEL 3 del informe, presenta los resultados detallados de los análisis efectuados en cada punto de monitoreo. Sin embargo, si los valores están presentados en el informe, el objetivo no es que las personas de los municipios los sepan interpretar.

Al contrario, se utiliza una técnica de presentación de resultados únicamente visual, llamada "en semáforo". A los usuarios de los Municipios lo que mas les interesa saber es, si hay muchos puntos verdes, la calidad del agua es buena y si hay muchos puntos rojos, la calidad es mala.

Espacialización de datos (interpolación)

Se elaboro mapas usando herramientas de interpolación en ambiente SIG (ArcGIS), de esa forma los porcentajes del índice de calidad obtenidos, se espacializan a través de una técnica de interpolación matemática denominada Kriging.

Cuadro 3. Parámetros que se considera en la técnica de interpolación usada

Se utilizo la extensión del ArcGIS "Geostatistical Analyst", se empezó por preparar los datos para que se puedan trabajar con esta herramienta: Se abrió un mapa para la "Visualización de datos de análisis físicoquímicos y presentación de mapas en ArcGIS".

Primero se agrego información general, como el entorno de la cuenca, el lago y la ubicación de las estaciones de la red de monitoreo físico-químico.

Se uso las tablas de la base de datos que presentan los resultados del monitoreo químico, expresados porcentaje de calidad de aguas, para espacializarse en un mapa. En este caso se uso las tablas:

•      ESTACIONES_CALIDAD_NUMERIC_PHUMEDO

•      ESTACIONES_CALIDAD_NUMERIC_PSECO

En estas tablas se presentan los valores promedio de los distintos parámetros físicoquímicos en los meses del período húmedo y seco.

Luego se define nuevas conexiones entre los puntos de monitoreo y las tablas que se han cargado.

•      Red de monitoreo de aguas subterráneas (en pozos)
•      Datos promedio del período húmedo.
•      Join & Relate » Join

También se definen los atributos de relación:

Con esta relación entre la capa de las estaciones de monitoreo del agua subterránea y los valores promedios de los distintos parámetros físicoquímicos del periodo húmedo, se obtiene una relación de 1 <=> 1 (a cada estación corresponde un único valor de cada parámetro).

Cuadro 4. Tabla de atributos de las concentraciones de los parámetros (ArcGIS)

En seguida se inicia el análisis geoestadístico. Como en el procedimiento antes explicado, los primeros pasos son el calculo del semivariograma experimental (o empírico) y luego el ajuste del modelo teórico que explica el comportamiento espacial de la variable.

Para el análisis geoestadístico, se utiliza el "Geoestatistical Wizard".

Todos estos valores y parámetros pueden ser obtenidos por defecto u omisión, en el ArcGIS. El usuario si desea puede definir sus propios parámetros y valores, solo hay que editarlos.

Cuando se experimentan distintos valores de los parámetros del modelo, en el gráfico los puntos y el modelo teórico ajustado cambian y así se puede evaluar de la calidad del modelo.

Otro aspecto que se pude probar es la anisotropía, o sea, ver si el comportamiento de la variable es igual en las distintas direcciones del espacio.

El mapa es producido en un nivel de información temporáneo. Siempre que el usuario desea, puede volver a redefinir los parámetros de la estimación y luego puede experimentar distintos modelos hasta que llegue a lo que se pueda considerar un buen resultado.

En nuestro caso los puntos de agua subterránea, corresponden a pozos que se ubican en la cobertura sedimentaria correspondiente a la zona de llanura en el entorno del lago. Necesitamos entonces tener un mapa que permita calcular los índices de calidad en toda la zona de llanura.

Por eso se tiene que extender esta interpolación con la función "Extent" a toda la zona de llanura, luego se convierte esta interpolación a formato "ráster" y se guarda.

Posteriormente se corta el área de la zona de llanura con la opción "Arctool box" / "Extract by Mask", luego se reclasifica con la opción "Arctool box" / "Reclassify".

CONCLUSIONES

Se aplico la metodología del proyecto CAMINAR del índice de Calidad del Agua, mostrando su sencillez y fácil aplicabilidad a una base de datos disponibles de un monitoreo químico.

El índice de calidad aplicado mostró que al espacializar los datos promedio de todas las campañas, la zona norte y noreste cercanas al lago Poopó al tener menor porcentaje de calidad, presentan menor calidad en sus aguas (Antequera, Poopó, Pazña), precisamente estas son las zonas donde mayor actividad minera se tiene. En la parte sur del lago Poopó se tiene igualmente baja calidad en las muestras analizadas.

La mejor calidad de las aguas luego de aplicar este índice de calidad y su posterior espacialización se presentó en Paria, Soracahi, Urmiri, Challapata, Huari, estas zonas son las que mayor actividad agrícola tienen.

La variación climática (periodo seco y húmedo) afecta a la calidad de las aguas en esta cuenca, el fenómeno detectado es el de disolución de minerales y sales del suelo por parte del agua subterránea y superficial.

Al menos uno de los brazos del río Desaguadero influye sobre la calidad de las aguas de la región suroeste del lago Uru Uru en ambos periodos, el agua de este río estaría provocando que la calidad de las aguas en esta región disminuya.

Se conoce que existe una tendencia del flujo del agua subterránea de noreste a suroeste en esta cuenca [8]. Este dirección de flujo del agua subterránea, tendría un efecto negativo en la calidad del agua de la zona suroeste especialmente en el periodo húmedo, esto estaría provocando que la calidad de las aguas de esta región este disminuyendo.

La técnica de interpolación usada demostró su buena aplicación para la fácil visualización de la calidad del agua en toda la cuenca, a través de mapas que puedan ser interpretados con mucha sencillez por el público en general.

NOTAS

*Corresponding author:hidroqui@gmail.com

REFERENCIAS

1.      ASDI/SAREC - UMSA ]]> Informe Final Primera Fase 2000-2003 del proyecto "Manejo de recursos hídricos-hidroquimica de la cuenca de los lagos Poopó y Uru Uru. La Paz Bolivia, 2004.

2.      CALIZAYA, A.
Hidrología y Recursos Hídricos en la cuenca de los lagos Poopó y Uru Uru (Instituto de Hidráulica e Hidrología, IHH). Memoria del Seminario Taller: "Intercambio de experiencias en la región de los lagos Poopó - Uru Uru y sus áreas de influencia" UMSA-ASDI/SAREC. Oruro - Bolivia. 2006.

3.      FERNANDEZ, N., RAMÍREZ, A. Y SOLANO, F.
A review of physical-chemical parameters as water quality and contamination indicators. Scielo Ing. Investig. vol.27 no.3, 2007.

4.      GESTIÓN DE CUENCAS ÁRIDAS Y SEMIÁRIDAS CON INFLUENCIA MINERA - CAMINAR. Cooperación Europea - Instituto de Investigaciones Químicas - UMSA.CAMINAR. La Paz-Bolivia. 2007-2009.        [ Links ]

5.      COOPERACIÓN SUECA ASDI-SAREC - INSTITUTO DE INVESTIGACIONES QUÍMICA - UMSA. Manejo de Recursos Hídricos-Hidroquímica de los Lagos Poopó y Uru-Uru. La Paz - Bolivia. 2004-2007.        [ Links ]

6.      WP6 - IST - INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO CAMINAR.
Capacitación - Herramientas de soporte para la decisión, generación de mapas y uso herramientas de interpolación en ambiente SIG, Oruro - Bolivia, Abril 2010.

7.      QUINTANILLA, J. ]]> Sistema Hidrológico del Altiplano (A. H. S.) Cuenca del Río Desaguadero (Bol.) Tomo 1, Informe Final, La Paz Bolivia 1993. Universidad Mayor de San Andrés - Universidad Laval Québec -Canadá CIID - Canadá. Compilación de diferentes normas para evaluar la calidad del agua y adaptaciones, 2009.

8.      QUINO, I.
Determinación de la calidad fisicoquímica de las aguas subterráneas en la región norte y este del lago Poopó. Tesis de Licenciatura. Universidad Mayor de San Andrés, Facultad de Ciencias Puras y Naturales, Carrera de Ciencias Químicas, 2006.

9.      Ley del Medio Ambiente, ley N° 1333 de 27 de abril de 1992. Reglamento a La Ley del Medio Ambiente, Decreto Supremo N° 24176 de 8 de diciembre de 1995.        [ Links ]

10.    DALENCE, S.
Compilación y traducción del texto guía: Hidroquímica, del Módulo X Calidad de Aguas, de la Maestría en Ciencias de la Geo-información y Observación de la Tierra, Mención Recursos Hídricos, 2009. CLAS - ITC - UMSS Cochabamba - Bolivia. 2009.