Ing. Rainier Uriel Mares Tepanohaya Moro Ingeniería S.C. X Congreso Nacional de Aguas Subterráneas Implementación de índices para establecer la calidad del agua subterránea Ing. Rainier Uriel Mares Tepanohaya Moro Ingeniería S.C. Octubre 2015

La necesidad de evaluar la calidad del agua subterránea Principal fuente de agua en zonas áridas y semiáridas en México lo que implica que sea usada para abastecimiento público. Este uso incluye la totalidad del agua entregada a través de redes de agua potable, tanto a usuarios domésticos como a industrias y servicios conectados a dichas redes. Según datos de la CONAGUA de 2001 a 2013 el 60.4% del volumen utilizado para uso publico es el agua subterránea. http://www.conagua.gob.mx/Contenido.aspx?n1=3&n2=60&n3=86&n4=395

Índices de calidad del agua Buscan calificar la calidad a partir de análisis químicos de diferentes parámetros propuestos según el uso, para tener una valoración cuantitativa del grado de contaminación que presenta el agua subterránea de la zona de estudio en el momento de la toma de la muestra. La mayoría se establecieron para evaluar aguas superficiales. Hay pocos índices que contemplen dentro de sus parámetros aquellos que se pueden encontrar en el agua subterránea por lo que su aplicación en este medio es limitado. Tomar acciones de control y mitigación de los problemas garantizando el suministro de agua segura.

Índice de calidad del agua (ICA) Hay amplia variedad. Se modifican según el área de estudio tomando en cuenta a un panel de especialistas que definen los parámetros y los pesos específicos para cada uno. Ciertas pruebas son mas representativas de la calidad del agua que otras. Con ello se crean porcentajes que brindan un adjetivo a la calidad del agua que puede ser excelente, buena, regular o pobre. En función de la afectación de la vida acuática.

Índice de Calidad de Montoya (1977) considera 18 variables que evalúan cuatro características. Cantidad de materia orgánica: porcentaje de saturación del oxígeno disuelto (OD), demanda química de oxígeno (DQO) y demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Bacterias Coliformes: Coliformes totales y Coliformes fecales. Cantidad de materia iónica: alcalinidad, dureza, cloruros, conductividad eléctrica, sólidos disueltos totales, sólidos suspendidos totales, pH, grasas y aceites, SAAM, nutrientes y metales pesados. Características físicas: color y turbiedad.

Cálculo del ICA (Montoya) No Parámetro Unidad Límite NOM-127 Ponderación Ecuación 1  pH si pH<6.7   6,5-8,5 1 IpH = 10 0.2335pH+0.44 si 6.7<pH<7.3 IpH = 100 si pH>7.3 IpH = 10 4.22-0.293pH 2 Color UPt-Co 20 IC = 123 C -0.295 3 Turbiedad UTJ 5 0,5 IT = 108 T -0.178 4 Oxigeno Disuelto, OD mg/l N/D IOD = 100*(OD)/(%ODsat) Demando Bioquímica de Oxigeno, DBO5 IDBO = 120 (DBO) -0.673 6 Sólidos Suspendidos, SS ISS =266.5 (SS) -0.37 7 Conductividad Específica, CE µS/cm ICE = 540 (CE) -0.379 8 Sólidos Disueltos, SDT 1000 ISD = 109.1-0.0175 (SDT) 9 Cloruros, Cl- 250 ICl = 121.Cl -0.223 10 Alcalinidad (como CaCO3) IA = 105 A -0.186 11 Dureza Total (como CaCO3) 500 *IDTot = 10 1.974-DTot0.00174D 12 Coliformes Totales nmp/100ml ICTot = 97.5 (CFTot) -0.27 13 Coliformes Fecales ICFec = 97.5 (5*CFFec) -0.27 14 SAAM (Detergentes) ISAAM = 100-16.678 (DE) + 0.1587(DE)2 15 Grasas y Aceites IGA = 87.25 (GA) -0.298 16 N-nitratos, NO3- INO3 = 162.2 (NO3) -0.343 17 N-amoniacal, NH3 INH3 = 45.8 (NH3) -0.343 18 Fosfatos, PO4 IPO4 = 134.215 (PO4) -0.46 𝐼𝐶𝐴= 𝑖=1 𝑛 ( 𝐼 𝑖 ∗ 𝑊 𝑖 ) 𝑖=1 𝑛 𝐼 𝑖 ICA = Índice de calidad del agua, 0 = < I = < 100 Ii = Función subíndice del parámetro i, 0 = < I = < 100 Wi = Peso de importancia del parámetro i (ponderación), 0 = <Wi = < 5 n = Número de parámetros empleado en los cálculos de I

Valor del ICA % Clasificación del Agua 0-30 Altamente contaminada 30-50 Contaminada 50-70 Poco contaminada 70-85 Aceptable 85-100 Excelente POTABLE USO RECREATIVO, CONTACTO DIRECTO VIDA ACUÁTICA Y PESCA INDUSTRIA Y AGRICULTURA NAVEGACIÓN TRANSPORTE DE DECHOS TRATADOS No requiere purificación Aceptable para cualquier Aceptable para todos los Aceptable uso recreativo organismos 90-100 30-100 10-100 70-100   Ligera purificación Aceptable, no Aceptable para especies Ligera purificación para Contaminada Inaceptable 80-90 recomendable muy sensibles algunos procesos 20-30 0-10 Requiere mayor nivel 50-70 60-70 70-90 de tratamiento Dudosa para recreativo Dudosa para especies Sin tratamiento para la 0-20 50-80 de contacto sensibles industria Dudosa 40-50 50-60 No contacto con el agua Solo organismos muy Con tratamiento para la mayor 30-40 tolerantes parte de las industrias 0-40 Indicios obvios de 30-50 contaminación De uso muy restringido 0-30

Desventajas del método ICA es un índice diseñado principalmente para utilizar en aguas superficiales. Otro de los inconvenientes es que a mayor cantidad de coliformes mayor valor aportaba a la cuantificación total del ICA, provocando que sea el parámetro que domina la calidad.

Índice de contaminación modificado (IC) Permiten evaluar e identificar áreas caracterizadas por concentraciones anómalas o peligrosas de elementos definidos y especies iónicas, este índice involucra dos factores, por un lado los parámetros normados y por el otro las concentraciones que exceden estos valores límite. El cálculo se realiza separadamente para cada muestra de agua analizada, y es la suma de los factores de contaminación de componentes individuales normados. Resume los efectos combinados de varios parámetros de calidad considerados dañinos para la salud humana. Donde: IC= 𝑖=1 𝑛 𝐶𝑓𝑖 Siendo: 𝐶𝑓𝑖= 𝐶𝐴𝑖 𝐶𝑁𝑖 −1 Cfi = Factor de contaminación para el i-ésimo componente CAi = Valor analítico del i-ésimo componente CNi = Concentración máxima permisible del i-ésimo componente (N indica el valor normativo) Mientras mas se acerque a cero tendrá algunos parámetros fuera de norma y si es mayor a cero hay una gran cantidad de parametro fuera de norma o que superan por mucho el limite establecido por la norma.

Para fines de comparación en un acuífero: Normalización 𝐼𝐶 𝑒𝑠𝑡= IC obtenido−IC max IC max− IC min x100 Un IC de 0%, representa a un agua con problemas de contaminación y una muestra con un valor de IC de 100% es una muestra de agua sin problemas de calidad.

Ventajas y desventajas del método Permite utilizar los elementos y especies iónicas que contienen las aguas subterráneas, que afecten la salud humana. No es limitante de algunos parámetros exclusivos, si no que contempla todos y cada uno de aquellos parámetros que se encuentren normados. No presenta una clasificación para el índice como ocurre en el caso del ICA, por lo que permite efectuar divisiones con base en las características de cada acuífero.

Índice de Calidad del agua del Ministerio del Medio Ambiente del Gobierno de British Columbia en Canadá (2001) Es utilizado por las Naciones Unidas índice de calidad del agua para beber (DWQI), índice de calidad del agua para la salud humana (HWQI) y el índice de aceptabilidad de calidad del agua (AWQI). Está fundamentado en tres factores que involucran la medición de los logros de los objetivos de calidad: F1: representa el porcentaje de parámetros que exceden el límite establecido por la norma F2: representa la frecuencia que es el porcentaje de pruebas individuales dentro de cada parámetro que superó la norma. F3: representa la amplitud en que la prueba que supera la norma.

Excelente (Excellent) Designación Valor del Índice Descripción Excelente (Excellent) 95-100 Todas las medidas están dentro de los objetivos prácticamente todo el tiempo Bueno (Good) 80-94 Las condiciones rara vez salen de los niveles naturales o deseables En el límite (Fair) 65-79 Las condiciones a veces salen de los niveles naturales o deseables Marginal (Marginal) 45-64 Las condiciones a menudo parten de niveles naturales o deseables Pobre (Poor) 0-44 Las condiciones usualmente parten de niveles naturales o deseables

Ventajas y desventajas del método La selección del campo de aplicación de la ecuación también es variable ya que la fórmula permite ser aplicada a todo el acuífero, con información de todos los pozos muestreados. Se puede analizar un mayor número de parámetros normados que se encuentran en el agua subterránea. Por recomendación del Consejo Canadiense de Ministros de Medio Ambiente, un índice de calidad del agua no debe ser calculado para una estación (punto de monitoreo) con menos de cuatro parámetros y cuatro visitas de muestreo.

Comparación entre métodos ID A Límite de la NOM-127 Acuífero mx Arsénico mg/l 0.1150 0.025 mg/l Cadmio μg/l <0.0025 0.005 mg/l Calcio mg/l 2.638 NE Cromo Total mg/l 0.005 0.05 mg/l Fierro mg/l 1.761 0.3 mg/l Magnesio mg/l 1.420 Manganeso mg/l 0.025 0.15 mg/l Plomo mg/l 0.0025 0.01 mg/l Potasio mg/l 11.099 Selenio mg/l Sílice mg/l 20.055 Sodio mg/l 204.03 200 mg/l Bicarbonatos como CaCO3 mg/l 410.44 Carbonatos CaCO3mg/l 175.9 Cloruros mg/l 20.98 250.00 mg/l Fluoruros mg/l 8.70 1.5 mg/l Grasas y Aceites mg/l   Nitritos mg/l 0.01 1.00 mg/l Nitratos mg/l 0.1 10.00 mg/l Oxígeno Disuelto mg/l 3.52 Sulfatos mg/l 63.96 400.00 mg/l Sustancias Activas al Azul de Metileno (Detergentes) mg/l 0.50 mg/l Coliformes Fecales NMP/100 ml NO DETECTABLE NO DETECTABLE Coliformes Totales NMP/100 ml Escherichia Coli NMP/100 ml Alcalinidad total mg CaCO3/l 586.34 T °C 31.90 CE µs 919 SDT ppm 459 1000 ppm pH 9.27 6.5-8.5 Método ICA IC WQI Valor 89.80% 4.49 18.73% Clasificación Aceptable - Pobre Rango del ICA Clasificación ICA Rango WQI Clasificación WQI 90-100 Excelente 95-100 Excelente (Excellent) 80-90 Aceptable 80-95 Bueno (Good) 50-80 Poco contaminada 65-80 En el límite (Fair) 30-50 Contaminada 45-65 Marginal (Marginal) 0-30 Altamente contaminada 0-45 Pobre (Poor)

Parámetro ICA IC WQI Alcalinidad X   Arsénico Cadmio CE CF Cloruros Color Cromo Total CT DBO Dureza Total E Coli Fierro Fluoruros Fosfatos Grasas y Aceites Manganeso N-amoniacal Nitratos Nitritos Oxígeno Disuelto pH Plomo SAAM SDT Selenio Sílice Sodio Sólidos Suspendidos Sulfatos Turbiedad Total de parámetros 18 17 Las diferencias entre los métodos varían por la cantidad de parámetros que incluyen en el análisis.

Comparación de configuraciones Configuración de ICA Configuración de IC Configuración de WQI

Conclusiones Pozos clasificados con agua aceptables en el ICA tienen parámetros fuera de norma. Para evaluar calidades considerando parámetros bacteriológicos se debe analizar de manera independiente ya que provocan sesgo en el calculo de los porcentajes. Ayudan a definir zonas con diferente problemática y permiten emitir recomendaciones encaminadas a solucionar problemas de tipo bacteriológicos o de potabilización. Definir mejor las obras que integren una red de monitoreo de calidad del agua.

Ing. Rainier Uriel Mares Tepanohaya Moro Ingeniería S.C. Implementación de índices para establecer la calidad del agua subterránea Ing. Rainier Uriel Mares Tepanohaya Moro Ingeniería S.C.