CARACTERIZACION HIDROQUIMICA DE LOS DIFERENTES ACUIFEROS DEL VALLE DEL RIO ACONCAGUA

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1 U N I V E R S I D A D D E C O N C E P C I Ó N DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA 10 CONGRESO GEOLÓGICO CHILENO 2003 CARACTERIZACION HIDROQUIMICA DE LOS DIFERENTES ACUIFEROS DEL VALLE DEL RIO ACONCAGUA VENEGAS, M. i, HELMS, F. 2, ARQUEROS, R. 1, FERNANDEZ C. 1 1 Servicio Nacional de Geología y Minería, Avda. Santa María 0104, Stgo., Chile; mvenegas@sernageomin.cl 2 Instituto Federal de Geociencias y Recursos Naturales (BGR), Stilleweg 2, Hannover, Alemania, f.helms@bgr.de. 1 Servicio Nacional de Geología y Minería, Avda. Santa María 0104, Stgo., Chile; rarqueros@sernageomin.cl 1 Servicio Nacional de Geología y Minería, Avda. Santa María 0104, Stgo., Chile; jcfernan@sernageomin.cl INTRODUCCIÓN En el marco del proyecto Levantamiento geoambiental del Valle del río Aconcagua del Servicio Nacional de Geología y Minería, se está realizando este estudio. La cuenca hidrográfica del río Aconcagua está comprendida entre los paralelos 32º15 y 33º30 latitud sur y entre los meridianos 69º59 y 71º33 longitud oeste. Su límite norte está constituido por la divisoria de aguas entre la hoya del río Aconcagua y las del río La Ligua y esteros Quintero y Catapilco. Su límite sur es la divisoria de aguas entre la hoya del río Aconcagua y las del río Maipo y estero Marga Marga. El límite este es la frontera internacional con la República Argentina y el limite oeste es el mar de Chile. Está contenida totalmente en la V Región y comprende las provincias de Quillota, San Felipe y Los Andes. El principal río de la cuenca es el Aconcagua, formado por la confluencia de los ríos Juncal y Colorado a los m s.n.m (Von Igel, 1999). El río recibe aportes de diversos afluentes. Los de mayor importancia son el río Putaendo y el estero Limache. Los principales centros urbanos tales como Los Andes, San Felipe, Quillota, La Calera hoy en día se expanden de manera importante, trayendo consigo un gran desarrollo económico en las industrias agrícolas y mineras, que potencia de manera importante los posibles agentes contaminantes dentro de la cuenca del Aconcagua. OBJETIVOS Los objetivos de este trabajo son determinar, mediante la aplicación de diversos métodos estadísticos, las clases o tipos de aguas subterráneas y su distribución espacial dentro de la cuenca y definir los factores que influyen en la composición del agua subterránea. METODOLOGÍA SELECCIÓN DE PARÁMETROS PARA ANÁLISIS ii Para asegurar la buena calidad del muestreo y conseguir una buena aproximación en el tipo de agua analizada, se aplicaron las mediciones de algunos parámetros in situ, tales como: -) El ph, medido en terreno por posible alteración durante el transporte, -) la temperatura que entrega información sobre la alteración de la muestra durante la medición. Dentro del acuífero, la temperatura se mantiene entre los 10 y 13 C, -) el contenido de oxígeno disuelto que puede determinar el rango del potencial redox y la presencia de materia orgánica en descomposición y Todas las contribuciones fueron proporcionados directamente por los autores y su contenido es de su exclusiva responsabilidad.

2 -) la conductividad eléctrica que permite una primera estimación de la proveniencia del agua y de la época en que ingresó al acuífero. El contenido relativo de algunos cationes y aniones es de gran utilidad para determinar la clasificación de las aguas, en particular, según las concentraciones de los aniones bicarbonato, sulfato, cloruro y nitrato se puede llegar a estimar la edad del agua (tiempo transcurrido entre la infiltración y el muestreo), detectar posible intrusión de agua salada, los efectos provocados por fertilizantes y materia orgánica descompuesta. Las concentraciones de calcio, magnesio, sodio y potasio pueden entregar información sobre la dureza y la proveniencia geoquímica. Dependiendo de los contaminantes esperados y de los factores adicionales geoquímicos que se desean detectar, se midieron una serie de elementos traza que normalmente provienen del material del acuífero o de fluidos producidos por la meteorización o ascenso de aguas hidrotermales. El hierro y el manganeso precipitan con mucha facilidad cuando el medio pasa a ser oxidante, causando incrustaciones en ciertos niveles del suelo o algunas instalaciones. El resto de los elementos traza son aniones y metales que indican la presencia de contaminantes. Por ejemplo el boro proviene frecuentemente de derrames de tubos para aguas servidas (compuestos de boro son aditivos en detergentes), el fosfato indica contaminaciones fecales o debido a fertilizantes, el cobre, zinc, vanadio, molibdeno, niquel y cobalto son típicos de la industria minera o del procesamiento de metales. METODOLOGÍA ESPECÍFICA Dentro del proyecto se realizó un muestreo general a lo largo de toda la cuenca; que consistió en las mediciones de niveles en 48 pozos profundos y 66 norias, y toma de muestras de agua para análisis químicos. Se tomaron muestras en botellas de un litro para análisis de elementos mayores y en botellas de 250cc para análisis de elementos traza. En el laboratorio del Sernageomin, se determinó el contenido de los principales cationes Ca +2, Na +, K +, Mg +2 y aniones HCO 3 -, SO 4-2, Cl - y NO 3 -, y algunos elementos traza como F, Be, Ba, Mn, Li, Si, Cu, Co, Ni, Cr, V, etc. para la posterior clasificación de las aguas. EVALUACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS DATOS ANALÍTICOS Y ESPACIALES Los análisis químicos fueron sometidos a una selección de procesos estadísticos con el fin de distinguir grupos o clases que pertenezcan a una zona o a un acuífero en particular, y determinar así los factores que influyen en la composición del agua. Los procesos son a) Prueba Kolmogorov - Smirnoff para determinar si el parámetro respectivo sigue o no una distribución normal. b) Prueba Students t para determinar si dos conjuntos de datos (pozos profundos y norias) siguen la misma distribución, y por lo tanto, debe tratárseles como miembros del mismo grupo. c) Test de discriminación para detectar los parámetros que diferencian los distintos grupos y determinar a que grupo pertenece cada muestra. d) Análisis de correlación para definir los conjuntos de parámetros que son linealmente dependientes. e) Análisis factorial para determinar los factores determinantes que agrupan y establecen gran parte de la variancia total de un grupo de muestras descritas por muchas variables. Se define cada parámetro de análisis como una dimensión de un espacio

3 euclidiano, y sus correlaciones pueden interpretarse como ejes afines (con diferentes interdependencias lineales) dentro de este espacio. Con la determinación de los valores de la matriz de correlación se puede construir un sistema de coordenadas ortogonales que representan un conjunto de factores linealmente independientes, con la mejor correlación entre los parámetros conocidos. Así los factores más significantes corresponden a una correlación mayor a 1. La interpretación de los factores puede efectuarse a través de lo que tienen en común los parámetros que correlacionan bien con ellos. f) Análisis Cluster para definir subgrupos entre los pozos profundos y las norias. Este método también trabaja en el espacio euclidiano multidimensional, y cada parámetro define una dimensión. Una muestra es representada por un punto en este espacio y tiene una distancia euclidiana con cada una de las otras muestras. Pueden formarse subgrupos de puntos con poca o mucha distancia entre ellos. Estos son los cluster que pueden indicar propiedades comunes como un acuífero o una contaminación que afectó a todas las muestras del subgrupo. g) Comprobación de la distribución espacial de los subgrupos, determinados a partir del análisis cluster y el test de discriminación. RESULTADOS CLASIFICACIÓN DE AGUAS Para la clasificación de las aguas se utilizaron los Diagramas de Piper, analizando separadamente las muestras pertenecientes a 48 pozos profundos y a 66 norias. Las muestras para cada caso se agruparon en seis grupos: Aconcagua 1, 2 y 3; Putaendo, El Cobre y Catemu. El diagrama de Piper (figura 1) para los pozos profundos, presenta un aumento de los contenidos de calcio y magnesio, desde las nacientes en el sector de Aconcagua 1 hasta la desembocadura en el mar, en Aconcagua 3. Los contenidos de sodio y potasio se mantienen, en general, constantes. Por otra parte, el contenido de sulfato es claramente dominante por sobre el contenido de cloruro y bicarbonato. Con respecto al Total de Sólidos Disueltos (TSD), se observa que la mayor salinización se ubica en el sector denominado El Cobre.

4 Figura 1: Diagrama de Piper para pozos profundos El diagrama de Piper para las norias (figura 2), muestra que tienen una composición similar a las aguas de los pozos profundos, es decir, presentan gran cantidad de calcio y medianos contenidos de sodio y potasio. El contenido de sulfato va en aumento a medida que las aguas confluyen hacia el mar. Los cloruros se mantienen, en general, constantes a lo largo de toda la cuenca. En estas aguas el TSD aumenta considerablemente con respecto a las aguas de los pozos profundos; lo que se explica por la probable mezcla con fertilizantes y productos de la industria minera que interactúan fácilmente con las aguas subsuperficiales de las norias. Además, en este grupo se encuentra la muestra con el más alto contenido de TSD, el que supera los 838 mg/l.

5 Figura 2: Diagrama de Piper para norias EDAD DE LAS AGUAS ANALIZADAS Existen algunos parámetros que permiten estimar de manera relativa el tiempo transcurrido entre la infiltración de un agua y el momento actual. Un elevado TSD, es decir, una elevada conductividad eléctrica generada por la gran cantidad de especies disueltas podría indicar que un agua ha estado almacenada durante mucho tiempo. La evolución natural del agua dentro de una cuenca está marcada comúnmente por el intercambio de iones, que implica que las aguas pasan de bicarbonatadas a sulfatadas y a cloruradas. Esto implica que un agua con alto contenido de bicarbonato es probablemente más joven que un agua con mucho sulfato, la que a su vez es más joven que una con grandes concentraciones de cloruro. En el caso de los cationes, la presencia de un exceso de potasio indica un agua joven, debido a que la interacción del agua con materiales arcillosos, con alta capacidad de intercambio iónico, variarán la composición química del agua, llegando a encontrar razones sodio : potasio>7:1. Las aguas del valle del río Aconcagua, en general, presentan un alto contenido de sulfato y bicarbonato que participan de manera importante en la meteorización de los suelos y rocas, y aumentan significativamente el contenido de sólidos disueltos en el agua. Particularmente, las muestras obtenidas de vertientes, presentan en promedio un TSD de 450 mg/l, dentro de los cuales 180 mg/l corresponden a sulfato y 190mg/l a bicarbonato. Incluso la razón Na/K es mayor que 50:1. Considerando que la última lluvia antes de la campaña de muestreo de las vertientes, fue hace seis meses, entonces se tiene una edad

6 mínima para esta agua, y el elevado contenido de sulfato en estas muestras, hace probable que la edad de esta agua sea mucho mayor aún. La composición de las aguas subterráneas ya sea provenientes de pozos profundos o de norias, dependerá mucho de la zona del valle en la cual se encuentra o de los tributarios a los cuales pertenece. Como se explica más adelante, el contenido de sulfato no proviene, necesariamente, del intercambio natural de iones, puede provenir de una fuente contaminante, como por ejemplo, las aguas en el valle del estero El Cobre, presentan una cantidad de sulfato que puede ser aportada por la minería o por los depósitos de sulfuros de cobre, ubicados en la zona. En general, la distribución de sulfato y de sólidos disueltos dentro de la cuenca, entrega gran cantidad de aguas viejas en los acuíferos porosos del eje del valle principal y aguas más jóvenes con un TSD menor que 500 mg/l, en los valles tributarios del río Aconcagua (figura3). Además, en los valles tributarios como Putaendo, Catemu, Pocuro, y cerca del límite del valle entre Los Andes y San Felipe, las aguas de los pozos profundos, presentan mayor cantidad de bicarbonato que sulfato. Definir de manera clara las edades entre las aguas de norias y las de pozos profundos, no es posible, sólo puede observarse que el TSD y el contenido de iones en ambos grupos es similar. Figura 3: Ubicación pozos profundos y norias según el contenido de TSD. Se indican además, las diferentes zonas dentro del valle.

7 TIPOS HIDROQUÍMICOS Y SU DISTRIBUCIÓN ESPACIAL El análisis factorial y el análisis de Cluster efectuado con todos los parámetros, tales como los iones mayores (normalizados por el TSD), los elementos traza, el TSD y el ph obtenido del laboratorio entregaron los 5 factores más importantes, que podrían explicar las diferentes concentraciones de elementos presentes en la cuenca y que tienen correlaciones mayores que 1, se describen en la siguiente tabla: Factor Roca adyacente varia las concentraciones de las tierras alcalinas Correlación negativa Correlación positiva Distribución espacial Mg Ca, Sr Razón Ca/Mg < 3, en los valles Catemu, El Cobre y Llay - llay. Razón Ca/Mg > 5, en el valle principal y el valle Putaendo. Edad de aguas K, HCO3 SO4, TSD, Cl, K Aporte de aguas termales Fertilizantes industriales Minería depósitos sulfuros metales y de de Li, As, Na, B, V, F, ph K, PO4, Cl, Ba (poco) Mn, Ni, Cu, SO4, TSD Mayores edades en el eje del valle principal, menores en los tributarios y en el límite de la cuenca Tres vertientes; dos cerca del estero Pocuro, una al este del estero El Cobre. Arealmente bajas concentraciones en pozos profundos mal definidas. Exclusivamente en norias en el eje del valle principal entre Llay - llay y La Calera. En el valle El Cobre. Tabla 1: Posibles factores que explicarían las diferentes concentraciones en el valle Los grupos obtenidos del análisis Cluster corresponden a los factores y a la distribución espacial descrita en la tabla 1. Los gráficos 1 y 2 demuestran las posiciones de estos grupos en la red UTM correspondiente al mapa topográfico 1: , según se trate de pozos profundos (gráfico 1) y norias (gráfico 2). Las propiedades químicas de estos grupos son las siguientes: POZOS PROFUNDOS Pozos 1: Exceso de calcio y estroncio. Pozos 1a: Exceso de calcio, mucho estroncio y alto TSD. Pozos 1b: Exceso de calcio y estroncio, mucho bicarbonato, poco sulfato y bajo TSD. Pozos 2: Exceso de magnesio y mucha sílice.

8 Pozos 3: Pozos 4: Pozos r: Exceso de magnesio, mucho sulfato, cloruro y zinc, poco bicarbonato, y alto TSD. Exceso de magnesio, mucho bicarbonato, sodio y potasio, mucho hierro, sílice y flúor y bajo TSD. Los pozos que no pertenecen a ningún grupo. Pozos profundos pozos1a pozos1b pozos1 pozos2 pozos3 pozos4 pozosr Gráfico 1: Grupos de muestras de pozos profundos con las mismas características químicas. NORIAS Norias 1: Norias 1a: Norias 1b: Norias 2: Norias 3: Norias 4: Norias 5: Norias r: Razón calcio magnesio aprox. 4/1, normal. Mucho potasio y bicarbonato, poco sulfato. Exceso de calcio y estroncio, mucho potasio, cobre y boro. Razón calcio magnesio aprox. 3/1, normal, mucha sílice. Exceso de calcio, mucho bicarbonato, manganeso, boro y fosfato, poco sulfato y cloruro. Exceso de magnesio, mucho sulfato y cloruro, poco bicarbonato y estroncio. Exceso fuerte de magnesio, mucho sodio, nitrato sílice y flúor. Mucho boro, sílice y fosfato y alto TSD. Las norias que no pertenecen a ningún grupo.

9 Norias norias1a norias1b norias1 norias2 norias3 norias4 norias5 noriasr Gráfico 2: Grupos de muestras de norias con las mismas características químicas Vertientes: Exceso de calcio, mucho sodio, manganeso, cobre, boro, arsénico y flúor. Poco magnesio, potasio, cloruro y nitrato. NORMAS CHILENAS PARA AGUA POTABLE Y DE RIEGO Es importante destacar que actualmente existen algunas muestras dentro de la cuenca que sobrepasan las Normas Chilenas para agua potable y para agua de riego. Según el contenido natural de sólidos disueltos, existen 51 muestras que sobrepasan la norma chilena para riego, que es 500 mg/l (NCh 1333). El máximo valor medido dentro de la cuenca fue de 1.113mg/l, que supera considerablemente el límite aceptado para riego, para el contenido de TSD. El valor promedio de TSD de todas las muestras analizadas fue de 467 mg/l, que está muy cerca de sobrepasar la norma. Esto ocurre en el estero El Cobre en el tramo del río principal entre San Felipe y Quillota. La norma chilena para agua potable (NCh 409), y para riego (NCh1333) tiene como valor máximo para el sulfato, 250 mg/l. Los análisis entregan 9 muestras que sobrepasan este valor. Además el promedio calculado en estas muestras fue de 141 mg/l y el máximo valor fue de 704mg/l, ubicado en el sector de el estero El Cobre. Desde el punto de vista del nitrato, 14 muestras sobrepasan la norma chilena para agua potable, cuyo límite es 10 mg/l. El máximo valor es de 29,9 mg/l de N /NO3 y se presenta sólo en norias. El manganeso es superado 7 veces para ambas normas. El máximo valor es de 3,1 mg/l y los límites son para NCh409 = 0,1 y para NCh1333 = 0,2. El cobre supera la norma para riego, con un valor máximo de0,36 mg/l y un límite de 0,2mg/l.

10 CONCLUSIONES La clasificación de las aguas de la cuenca del río Aconcagua, se analizó separándolas en aguas de pozos profundos y de norias. Las aguas correspondientes a los pozos profundos presentan un claro aumento en el contenido de calcio y magnesio, desde las nacientes del río Aconcagua, en el sector de Los Andes San Felipe, hasta la desembocadura en el mar, en el sector de Concón. Los contenidos de sodio y potasio de estas aguas, son medios, en casi toda la cuenca y las concentraciones de sulfato superan fuertemente a las de cloruro y bicarbonato, en especial en la zona de El Cobre, donde también existe el mayor contenido de sólidos disueltos y de magnesio. Las aguas correspondientes a las norias presentan una composición bastante similar a las aguas de los pozos profundos, considerando las concentraciones de los elementos mayores, el sulfato aumenta hacia el oeste de la cuenca, sin embargo, el TSD de las norias es mucho mayor que el de pozos profundos, considerando las concentraciones de los elementos traza, debido a una posible mezcla con fertilizantes y diversos productos utilizados por la minería. Esto ocurre en las norias, producto de la someridad del nivel freático. Las aguas del valle del río Aconcagua presentan una contaminación que es considerable, al superar las normas chilenas para agua potable y para agua de riego, debido a contaminaciones naturales, como el contenido de sólidos disueltos y a contaminaciones ligadas directamente al impacto antrópico. Esto es un factor preocupante, tomando en cuenta que la zona está en potencial crecimiento. REFERENCIAS Custodio, E. Llamas, M., Hidrología subterránea. Tomos I y II. Ediciones Omega, S.A. Plató, 26 Barcelona-6. Von Igel, W., Redefinición de la red de monitoreo de calidad de agua subterránea en el Valle del Aconcagua. Memoria para optar ala título de Geólogo. Universidad de Chile. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Departamento de Geología. Santiago. Chile. 89pp.