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Gestión Ambiental (Valdivia). ISSN 0718-445X versión en línea, ISSN 0717-4918 versión impresa.

TENDENCIA DE LOS COMPONENTES MAYORIT ARIOS DEL AGUA DECUATRO EMBALSES EN EL CENTRO-SUR CUBANO, DURANTE UN

PERÍODO DE VEINTE AÑOS.

Trend of major ions of the water from four reservoirs in south-central Cuba throughout aperiod of twenty years.

Carmen Betancourt1, Roberto Suárez1, Eduardo R. Concepción1

& Henry Herrera2

1Universidad de Cienfuegos, Carretera a Rodas km 3, Código Postal 59430, Cienfuegos, Cuba.2Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos Calle 17, esq. Ave 46 s/n, Reparto Reina,Código Postal 55100, Cienfuegos, Cuba.

Gestión Ambiental 23: 51-65 (2012)

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RESUMEN

El estudio estuvo dirigido a evaluar la tendencia de la conductividad eléctrica (CE), la dureza total (DT) y

los iones mayores en cuatro embalses del centro-sur cubano, durante la etapa 1986-2005. La tendenciaevaluada mediante la prueba estacional de Mann-Kendall y el estimador de la pendiente de Sen, revelódisminuciones significativas en la CE y el cloruro en los embalses Abreus y El Salto, y de la CE y elbicarbonato en el embalse Avilés. Estas disminuciones fueron relacionadas con la reducción del riegoagrícola y el uso de fertilizantes. En el embalse Paso Bonito, localizado en la zona montañosa, se observaronaumentos significativos en las concentraciones de la D

T. Estos incrementos se relacionaron con la

geología de la cuenca y con la mineralización de la materia orgánica acumulada en los sedimentos delembalse por el efecto de un fuerte proceso erosivo. La lluvia tuvo un comportamiento homogéneodurante la etapa y no guardó relación con las tendencias de las variables físico-químicas. Fuecorrelacionada de forma inversa con todas las variables estudiadas en el embalse Abreus y con la D

T y

el bicarbonato en El Salto.

Palabras clave: Mann-Kendall estacional, embalse, tendencia, iones mayores.

ABSTRACT

This study was aimed at assessing the trend of electrical conductivity (CE), total hardness (DT) and

major ions in four characteristically different reservoirs from the southern central part of Cuba during theperiod that covered 1986-2005. The assessment of the trend by using Man-Kendall’s test and the SenEstimator revealed a significant decrease in electrical conductivity and in chlorine at the Abreus and ElSalto reservoirs. At the Avilés Reservoir, there was only a decrease of the CE and bicarbonate, aspectsthese which were related to a reduction in agricultural watering and in the use of fertilizers. At the PasoBonito Reservoir, which is located in a hilly area, there was a significant increase of its waters’ totalhardness. This rise was associated to the mineralization of the organic material accumulated in thesediments of the reservoir due to the effect of a heavy erosive process. Rain in the four reservoirs washomogeneous during this period and was not related to the trends of the physico-chemical variables. Itwas inversely correlated with all the variables under study at the Abreus Reservoir and with D

T and

bicarbonate at El Salto Reservoir.

Keywords: Seasonal Mann-Kendall, reservoir, trend, major ions.

Componentes mayoritarios en embalses

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INTRODUCCIÓN

La variada distribución geográfica de losembalses, así como su sensibilidad a loscambios ambientales, los convierte en objetode investigación para esclarecer vacíos delconocimiento. Su estudio permite obtenerinformación integrada sobre los cambios en elpaisaje y la atmósfera (Carpenter et al. 2007,Pham et al. 2008, Williamson et al. 2008) eintervienen además en el balance global delcarbono (Lerman et al. 2007, Cole et al. 2007,Williamson et al. 2009a, Finlay et al. 2009).Los sedimentos acumulados guardaninformación sobre los cambios ocurridos ensu cuenca y en el propio ecosistema acuático(Cohen 2003, Smol 2008, Williamson et al.2009b).

La investigación de la calidad de las aguas,en relación con el cambio climático, se incluyeentre las principales necesidades deinvestigación, actualmente inexistente enalgunas regiones del mundo (Álvarez et al.2006). También constituye una necesidad paraun correcto uso y manejo del recurso.

El estudio de la tendencia de variablesrelacionadas con la calidad del agua, revelainformación acerca de variaciones y cambiosquímicos y biológicos en el tiempo. Existendiferentes herramientas estadísticas para elcálculo de la tendencia (Wei 2005, Shumway& Dtoffer 2006). La prueba no paramétricade Mann-Kendall (Mann 1945, Kendall 1975),se ha empleado en estudios de calidad del agua(Figueroa 2007, Chang 2008), pero no esaplicable para base de datos conestacionalidad. Para eliminar el efecto de laestacionalidad y de la autocorrelación devalores se emplea la prueba de Mann-Kendallestacional.

Las variaciones en la salinización de losembalses reflejan cambios continuos entre lacuenca, la atmósfera y los sedimentos ypueden constituir un medidor de los cambios

ambientales (Viney & Sivapalan 1996). Estasvariaciones a largo plazo puede tener un origenantropogénico (Williams 2001), por cambiosen el uso del suelo (Doerr et al. 1994) y poractividades operacionales (Rimmer 2003).

Este trabajo estuvo dirigido a evaluar lastendencias de los componentes mayoritariosen cuatro embalses cubanos, ubicados encuencas con diferentes características, paraaportar un conocimiento básico de referenciaen un ecotipo tropical.

En el embalse Paso Bonito ubicado en lazona montañosa se observó tendenciasignificativa al aumento, mientras que en losembalses Avilés, Abreus y El Salto se registródisminución en el tiempo. Tanto el aumento,como la disminución en las tendencias fueronrelacionados con actividades antrópicas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

Los embalses Paso Bonito (22° 7’ 5’’ N y 80°9’ 10’’ O), Avilés (22° 10’ 17’’ N y 80° 11’ 5’’O), Abreus (22° 16’ 48’’ N y 80° 33’ 24’’ deO) y El Salto (22° 25’ 24’’ N y 80° 20’ 27’’ deO), son los de mayor importanciasocioeconómica en la provincia de Cienfuegos,en el Centro Sur de Cuba (Fig.1). Susprincipales usos son la agricultura, la pesca yel consumo industrial y humano.

Avilés y Paso Bonito fueron construidosen la parte alta de la cuenca del río Arimao,caracterizado por una topografía variable(áreas de montaña, premontaña y llanuras) yuna geología más compleja, compuestafundamentalmente por rocas ígneas ymetamórficas. En Avilés predominan lasllanuras y las rocas anfibolitas, granito,cuarzodioritas y rocas sedimentarias comocalizas, margas y tobas. Paso Bonito tiene sucuenca en la zona montañosa y predominan

Betancourt et al.

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Componentes mayoritarios en embalses

FIGURA 1. ÁREA DE ESTUDIO. SE MUESTRA LA PROVINCIA DE CIENFUEGOS CON LAS CUENCASDE LOS RÍOS ARIMAO Y DAMUJÍ Y LOS EMBALSES PASO BONITO, AVILÉS, ABREUS Y ELSALTO.

Study site. It shows Cienfuegos province with Arimao and Damuji rivers’ watersheds and Paso Bonito, Avilés, Abreus and El Saltoreservoirs.

los esquistos, en la mayor parte. Estudiosrecientes revelaron la presencia de una zonacárstica con abundantes surgencias quealimentan al embalse (IGT 2008). El 52% delas mediciones de fósforo realizadas durantelos años 2006 y 2007 clasificó las aguas deeste embalse como eutróficas (Betancourt etal. 2009). En esta misma etapa se registraronaltas concentraciones de hierro y manganeso

durante la estratificación térmica (Betancourtet al. 2010a).

Los embalses El Salto y Abreus se localizanen la llanura que ocupa la cuenca del río Damují(al inicio y final respectivamente). Sus cuencasyacen principalmente, sobre rocassedimentarias (margas, calizas, aleurolitas,brechas, conglomerados, areniscas). Las rocasígneas (fundamentalmente basaltos) estánrepresentadas en menor cuantía.

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Betancourt et al.

Metodología

La alta correlación entre los iones mayoresen el embalse Abreus permitió la aplicacióndel análisis de componentes principales (ACP),lo que originó una nueva variable, denominada«mineralización». Tanto los iones mayorescomo la mineralización mostraronestacionalidad según los resultados delcorrelograma y el periodograma (Betancourtet al. 2010b).

La aplicación del ACP a los iones mayoresen el embalse El Salto originó dos nuevasvariables que se denominaron el aporte dellavado de la roca a la calidad química delagua y el aporte atmosférico y antrópico ala calidad química del agua. Ningunavariable mostró estacionalidad (Betancourt etal. 2011). Algunas características de losembalses se muestran en la Tabla 1.

Las mediciones de la conductividadeléctrica (CE), la dureza total (DT) y los ionesbicarbonato (HCO

3), cloruro (Cl), sulfato

(SO4), Ca, magnesio (Mg), sodio más potasio

(Na+K), fueron realizadas por la Empresa deAprovechamiento Hidráulico de Cienfuegos.Las muestras para dichas mediciones fuerontomadas en el punto de toma de los embalsesestudiados durante la etapa 1986-2005.

En los embalses Abreus y Paso Bonito losmuestreos fueron mensuales y en Avilés y ElSalto, trimestrales. El Ca y Mg se determinaronpor volumetría con ácidoetilendiamintetracético. El Na y K en algunasetapas del estudio se determinaron porfotometría de llama y en otras por diferenciacon el resto de los cationes. El Cl y HCO

3

por volumetría con soluciones diluidas de nitrato

Características* Paso Avilés Abreu El SaltoBonito

___________________________________________________________________El SaltoAño que fue terminada su construcción 1975 1980 1986 1975Altitud del embalse (msnm) 86.3 77 10 52Altitud media de la cuenca (msnm) 187 165 50 76Área de la cuenca (km2) 65 310 1075 80.0Área del embalse (km2) 1.25 77.0 5.40 2.46Área de la cuenca: Área del embalse (Ac:Ae) 52 4 199 32.5Volumen de almacenamiento (hm3) 8 190 35 9.5Profundidad máxima del embalse (m) 19.5 36.6 12.5 17

TABLA 1. CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA DE ESTUDIO. *= información tomada del archivo de laDelegación de Recursos Hidráulicos en Cienfuegos

Study site features.

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Componentes mayoritarios en embalses

de plata, y ácido sulfúrico respectivamente.El SO

4 por el método turbidimétrico, con

cloruro de bario.Los datos de lluvia en la cuenca de los

embalse Paso Bonito, Abreus y El Saltocorrespondieron a la misma etapa de losensayos físico-químicos. Para el embalseAvilés sólo se dispuso de la informacióncorrespondiente a la etapa 1986-1999.

Para el análisis de datos se empleó laprueba de Mann-Kendall estacional paraevaluar las tendencias en las series temporalesde la CE, la D

T y los iones mayores en los

cuatro embalses. Una de las bondades de estaprueba consiste en que no es necesario asumirninguna distribución, permite manejar los datosausentes y asume el supuesto de ausencia deestacionalidad y autocorrelación (Hirsch et al.1982, Hirsch & Snack 1984). También permiteel cálculo de la pendiente de la regresión linealde cada variable sin la influencia de los valoresextremos (Bouza-Deaño et al. 2004). Cuandola tendencia fue significativa (p < 0,05) semostró mediante gráficos y la magnitud de lapendiente se determinó mediante el estimadorde Sen (Sen 1968).

Los valores de las pendientes calculadaspara las variables estudiadas en los embalsesPaso Bonito y Abreus corresponden conincrementos o disminuciones mensuales de lasvariables, porque en estos embalses lasobservaciones tuvieron una periodicidadmensual. Para los embalses Avilés y El Saltolos valores de las pendientes corresponden conincrementos o disminuciones por observación(no por meses).

Las correlaciones entre la lluvia y el restode las variables se determinaron por el métodode Pearson para las bases de datos condistribución normal y la matriz de correlaciónde Spearman para las bases de datos que nose distribuyeron normalmente.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El embalse que mostró tendencia significativaal incremento de valores en componentesmayoritarios del agua fue Paso Bonito. Lavariable incrementada en el tiempo fue la D

T

(Fig. 2), el resto de las variables estudiadas eneste embalse no mostraron tendenciassignificativas en el tiempo. Este incrementose relacionó con el uso del suelo durante laetapa estudiada, combinado con la ubicacióngeográfica de la cuenca. Los principales usosdel suelo fueron cultivos permanentes (café,mango y naranja), cultivos temporales (arroz,y tabaco), pastos y algunos asentamientoshumanos. Esta cuenca se encuentra ubicadaen una zona de montaña y premontaña, dondese incrementan los procesos erosivos en lasáreas desprovistas de cubierta vegetal y enlas dedicadas a cultivos temporales por ellaboreo agrícola. De igual forma el arrastre yacumulación de residuos de las actividadesantrópicas se produjo con mayor rapidez.

El transporte de sólidos en la cuencaprodujo una alta sedimentación en el embalse.El nivel del fondo ascendió a 5,0 m, durantelos 30 años de explotación (Laiz 2007). Lamineralización de la materia orgánicacontenida en los sedimentos y rica encarbonatos de calcio, según la propianaturaleza de su cuenca, pudiera explicar latendencia al aumento del contenido de la D

T.

Estos resultados manifestaron el carácterintegrador de los embalses, referido antes porotros autores (Carpenter et al. 2007, Pham etal. 2008, Williamson et al. 2008). Se observódisminución significativa en la CE y el HCO

3

en el embalse Avilés (Fig. 3).En el embalse Abreus disminuyeron

gradualmente de forma significativa la CE, elCl y la mineralización (factor extraído en elACP) (Fig. 4).

En el embalse El Salto la disminuciónsignificativa fue para la CE, el Cl y el lavado

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Betancourt et al.

de la roca (Fig. 5). Este patrón observado enlas concentraciones de Cl en los embalsesAbreus y El Salto (cuenca del río Damují), esposible que se relacione con la geología de lascuencas, la naturaleza de este ión y ladisminución de las prácticas agrícolas. En lacuenca del río Damují y en la subcuenca delembalse Avilés, predominan las rocassedimentarias que son más vulnerables a losprocesos de meteorización (Bruhns & Randohr1968). El Cl es un ión altamente soluble ymóvil, no se volatiliza, precipita o absorbe alas superficies de partículas (Wetzel 1975). Por

estas características ya se ha usado comotrazador natural para evaluar los cambios desalinidad entre el epilimnio y hipolimnio de unembalse (Rimmer et al. 2005, Pasche et al.2009) y los cambios provocados por procesosalóctonos (Rimmer et al. 2006). En muchasáreas de estas cuencas se utilizaban para elriego agrícola aguas subterráneas, que en todala zona se caracterizaron por concentracionesde Cl superiores al agua embalsada.

Otra fuente de Cl es el agua que escurrepor áreas sometidas al riego o al uso defertilizantes (Andreasen & Fleck 1997,Lowrance et al. 1997, Oren et al. 2004). Estos

FIGURA 2. TENDENCIA OBSERVADA PARA LA DT DURANTE EL PERÍODO 1986-2005. EN ESTE

EMBALSE LA DUREZA TOTAL SE INCREMENTÓ 0.077 MG/L CADA MES.

Total hardness (dt) trend during the period 1986-2005. Total hardness increased to 0.077 mg/l monthly in this reservoir.

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Componentes mayoritarios en embalses

FIGURA 3. TENDENCIA DE LA CE Y EL HCO3 EN EL EMBALSE AVILÉS DURANTE EL PERÍODO 1986-2005. ESTAS VARIABLES DISMINUYERON POR CADA OBSERVACIÓN REALIZADA 0.378 Y 0.167µMHOS/CM Y MG/L RESPECTIVAMENTE.

Trend of electric conductivity (CE) and HCO3 at Avilés reservoir during the period 1986-2005. These variables diminished to 0.378 and0.167 µmhos/cm and mg/l respectively in each observation carried out.

criterios permiten relacionar la disminuciónsignificativa del Cl en los embalses Abreus yEl Salto, con la reducción del riego y del usode fertilizantes en las cuencas durante elperíodo evaluado.

La disminución del contenido salino, en elcaso del embalse El Salto, estuvo másrelacionada con el lavado de la roca. Estecriterio se reveló al evaluar las tendencias delos dos factores extraídos por el ACP por

Betancourt et al. (2011): el aporte del lavadode la roca a la calidad química del agua yel aporte atmosférico y antrópico a lacalidad química del agua. En este caso solomostró tendencia significativa a la disminuciónel factor relacionado con el aporte por el lavadode roca (Fig. 5).

La disminución significativa de los valoresde la CE en estos tres embalses, fue unarespuesta a la disminución del contenido salino

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Betancourt et al.

del agua embalsada. Esta última variable serelaciona con la concentración de sustanciasiónicas disueltas en el agua (Hem 1985), portanto representó la suma de la disminución delos iones mayores y otras sustancias iónicasdisueltas, que pudieron incluir el hierro, elmanganeso, entre otros.

La CE depende directamente de laconcentración de las sustancias iónicas

disueltas en el agua (Hem 1985). Por tanto ladisminución observada en las concentracionesde los componentes mayoritarios medidos enlos embalses Avilés, Abreus y El Salto, justificala disminución significativa de la CE.

Es reconocido que el riego agrícolaaumenta el contenido salino de las aguas(Helena et al. 2000, Harris 2001, Rajmohan& Elango 2006, Miyamoto & Anand 2008,

FIGURA 4. TENDENCIA DEL CL, LA MINERALIZACIÓN Y LA CE EN EL EMBALSE ABREUS DURANTEEL PERÍODO 1986-2005. LOS VALORES DE LAS PENDIENTES CORRESPONDEN CONDISMINUCIONES MENSUALES.

Trend of Cl, mineralization and electrical conductivity (CE) at Abreus reservoir during the1986-2005 period. the slope values fit withmonth decreases.

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Componentes mayoritarios en embalses

Rytwo & Gonen 2005, Cooper et al. 2006) porel aumento en la concentración de sales enlas aguas drenadas.

Este estudio fue realizado en un períodoen que la fertilización y el riego agrícola, sedeprimió, lo cual pudo contribuir a ladisminución del contenido salino y por tantode la CE. En años anteriores al período enestudio, la cuenca de estos tres embalses a

diferencia de Paso Bonito, estuvo sometida auna mayor frecuencia de riego.

Los resultados obtenidos sobre lastendencias de los componentes mayoritariosfacilitará la interpretación de cambios futuros.Resulta de interés poder separar afectacionesglobales inherentes al cambio climático deaquellas derivadas de cambios locales como

FIGURA 5. TENDENCIA DE LA CE, EL CL Y EL FACTOR «APORTE DEL LAVADO DE LA ROCA». LOSVALORES DE LAS PENDIENTES CORRESPONDEN CON DISMINUCIONES POR CADAOBSERVACIÓN.

Trend of electrical conductivity (CE), Cl and of the contribution of rock washing factor. the values of the slopes correspond to decreasesfor each observation.

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Betancourt et al.

son el uso del suelo, de fertilizantes o el riegoagrícola.

La lluvia no mostró tendencias en ningunade las cuencas de los cuatro embalses (Fig. 6)y fue correlacionada de forma inversa contodas las variables en el embalse Abreus. Losvalores de las correlaciones oscilaron entre -0,307 y -0,605 (p<0,01); para el Cl y la D

T

respectivamente. En el embalse El Salto solose correlacionó con el HCO

3 (p < 0,01 y r = -

0,528) y con la DT (p < 0,01 y r = -0,325),

ambas correlaciones también fueron inversas.No registró correlación con las variablesestudiadas en los embalses Paso Bonito yAvilés.

La lluvia no mostró tendencias en ningunade las cuencas de los cuatro embalses duranteel período estudiado (Fig. 6).

La alta correlación inversa encontradaentre la lluvia y las variables físico-químicasen el embalse Abreus, se relacionó con lascaracterísticas morfométricas del embalse yla cuenca que lo alimenta. La razón área decuenca: área de embalse (Ac: Ae) (Tabla 1)fue superior al resto de los embalses en Abreus(199), lo cual explica la dilución de loscomponentes mayoritarios por el efecto de lalluvia y por tanto la relación es inversa.

No se registró correlación significativaentre los valores de las precipitacionesocurridas en las cuencas y las concentraciones

FIGURA 6. COMPORTAMIENTO DE LA LLUVIA EN LAS CUENCAS QUE ALIMENTAN LOSEMBALSES.

Rain behaviour in the wathersheds that flows to the reservoirs.

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Componentes mayoritarios en embalses

de los componentes mayoritarios de losembalses Avilés y Paso Bonito. En Avilés elefecto de dilución que produce la lluvia en lasconcentraciones de los componentesmayoritarios fue anulado por el bajo valor dela relación Ac: Ae (4) y el elevado volumende almacenamiento (190 hm3) de este embalse(Tabla 1). Estos resultados revelaron que lascaracterísticas morfométricas de los embalsesy de sus cuencas respectivas tienen incidenciaen la calidad de las aguas almacenadas. Esteconocimiento sirve de referencia para laconstrucción de embalses.

En Paso Bonito el origen de las aguas querecibe el embalse anuló el efecto de dilución.La escorrentía de la cuenca, aún en el períodode máxima pluviosidad, estuvo por debajo del40% del total de agua que recibe el embalse.El mayor porcentaje se incorporó por un canalsoterrado que trasvasa grandes volúmenes deagua hipolimnética desde el embalseHanabanilla (Betancourt et al. 2009).

Las características morfométricas de esteembalse y la forma en que se gestionan susaguas (recibe aportes del embalse Hanabanillaubicado en la cabecera de su cuenca), pudoenmascarar la posible dilución que producenlas precipitaciones.

La falta de correlación entre la lluvia y loscomponentes mayoritarios en el embalse Aviléspuede explicarse por el valor bajo de la razón(Ac: Ae = 4).

CONCLUSIONES

Se manifestó tendencia significativa alaumento de la D

T en el embalse Paso Bonito.

Este resultado se relacionó con el fuerteproceso erosivo en la cuenca, la acumulaciónde sedimentos en el embalse y lamineralización de la materia orgánicacontenida en dichos sedimentos.

Se registró tendencia significativa a ladisminución para la CE, el Cl y los factoresgenerados de la aplicación del ACP en losembalses Abreus y El Salto. En Avilésdisminuyó significativamente la CE y elbicarbonato.

Las tendencias significativas a ladisminución de las variables, se relacionaroncon la reducción en el empleo de fertilizantesy en la aplicación del riego durante el períodoestudiado.

La lluvia tuvo un comportamientohomogéneo en la etapa y solo se correlacionócon componentes mayoritarios de los embalsesAbreus y El Salto. El grado de correlaciónentre la lluvia y las variables físico-química delagua se relacionó con la razón Ac: Ae y lagestión de las aguas embalsadas.

AGRADECIMIENTOS

Damos gracias a la Dra. Gloria Fabregá porsu colaboración en este trabajo.

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Recibido 12/07/2012; aceptado 10/12/2012