CALIDAD DEL AGUA EN EL ÁREA COSTERA DE SANTA MARTA (COLOMBIA)

WATER QUALITY AT SANTA MARTA COASTAL AREA (COLOMBIA)

 

FRANCISCO GARCÍA
M.Sc. Ing. Ambiental, Universidad del Magdalena, Docente, fcofdogarcia@yahoo.com

CARLOS PALACIO
Ph.D Ingeniería, Universidad de Antioquia, Docente, cpalacio@udea.edu.co

URIEL GARCIA
Biólogo, Universidad del Magdalena, Docente, uriel.garcia@yahoo.com

 

Recibido para revisar Abril 11 de 2011, aceptado Noviembre 11 de 2011, versión final Febrero 22 de 2012

 

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RESUMEN: Se usaron técnicas de análisis estadístico multivariado, para determinar la variación temporal y espacial de la calidad del agua en la zona costera de Santa Marta, donde se ubica un emisario submarino que descarga 1 m3/s de aguas residuales domésticas. La ANOVA de dos vías, los análisis de clúster y de componentes principales mas la interpolación de krigging, fueron considerados para este análisis. En la variación temporal se encontraron diferencias que marcan en el año dos periodos de tiempos heterogéneos, de diciembre a abril la concentración de los parámetros de calidad del agua es más alta. El resto del año (mayo, junio, agosto – noviembre, exceptuando el mes de julio donde se presentaron concentraciones altas), se registran concentraciones sensiblemente inferiores. En la variación espacial se reportan dos grupos de áreas en las cuales la calidad del agua es diferente, dicha diferencia está relacionada con la cercanía a la descarga del emisario submarino.

PALABRAS CLAVE: Calidad del agua, análisis multivariado, emisarios submarinos, variación espacial, variación temporal.

ABSTRACT: Multivariate statistical techniques were used to investigate the temporal and spatial variations of water quality at the Santa Marta coastal area where a submarine outfall that discharges 1 m3/s of domestic wastewater is located. Two-way analysis of variance (ANOVA), cluster and principal component analysis and Krigging interpolation were considered for this report. Temporal variation showed two heterogeneous periods. From December to April, and July, where the concentration of the water quality parameters is higher; the rest of the year (May, June, August-November) were significantly lower. The spatial variation reported two areas where the water quality is different, this difference is related to the proximity to the submarine outfall discharge.

KEYWORDS: Water quality, Multivariate statistical techniques, submarine outfall, spatial variation, temporal variation.

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1. INTRODUCCIÓN

Las zonas costeras que reciben contaminación debido a la actividad antropogénica, contienen elevadas concentraciones de nutrientes, contaminantes orgánicos y trazas de metales pesados [1]. La degradación de la calidad del agua marina relacionadas con estas causas, generalmente tienen sus orígenes en las cantidades de aguas residuales que son descargadas al océano, sin ningún tipo de tratamiento [1, 2-6].

Santa Marta, una de las ciudades más importantes de la región Caribe Colombiana, dada su posición geográfica favorable y sus condiciones naturales, que le proveen ventajas comparativas en lo social, ambiental y económico, está entre las zonas del país con mejores potenciales para el desarrollo. En su frente costero que incluye las Bahías de Taganga y Santa Marta (BTySM), se ha desarrollado un uso diversifico de las aguas marinas, que involucran recreación, saneamiento básico y una creciente actividad industrial y portuaria. Es un área propicia para el arribo de buques de gran calado, ya que a pocos metros de su línea costera se pueden encontrar profundidades importantes; lo que ha permitido el desarrollo de la actividad portuaria. Dada su expansión y crecimiento económico, y debido a la falta de planificación y control ambiental, hasta finales de la década de los noventa, las aguas residuales domésticas eran vertidas directamente a las BTySM, lo que representó serias dificultades de tipo ambiental, además de las amenazas para la salud pública; conjuntamente con las actividades que implican contacto primario o secundario en el área costera de Santa Marta (ACSM) se desarrolla la pesca artesanal, principal fuente de sustento de poblaciones nativas. Para el ACSM han sido citadas algunas evidencias de procesos de contaminación ambiental asociada con proliferación de coliformes fecales [7-9]. Con el fin de mejorar las condiciones de la calidad del agua marina, las autoridades de saneamiento básico de la ciudad construyeron en el año 2000 un emisario submarino que dispone las aguas residuales a 50 metros de profundidad en el océano, mediante una tubería que se extiende 420 metros desde la costa y a través de 102 difusores. Este es el primer emisario construido en el país, el cual vierte en la actualidad 1 m3/s.

Los emisarios submarinos son implementados bajo el supuesto de que el medio receptor tiene gran capacidad de asimilación de las descargas de aguas residuales [1, 10]. Los sistemas que cuentan con múltiples difusores, son generalmente los más eficientes en el proceso de maximización de la dilución inicial en el campo cercano [4]. Después de lo cual, la pluma boyante de agua residual es dispersada por la turbulencia oceánica en lo que se denomina campo lejano [4, 12]. Dado el amplio margen de variación de las corrientes, la pluma boyante puede permanecer en las vecindades de la descarga por algún tiempo antes de ser dispersada [4, 13]. La determinación de la calidad de agua alrededor de los difusores de los emisarios, es una medida adecuada para verificar el funcionamiento eficaz de estos sistemas de disposición de aguas residuales. Este artículo presenta los resultados de la determinación de la calidad del agua en la zona de mezcla del Emisario Submarino de Santa Marta, (ESSM) con el fin de aportar información que ayude a precisar si los fenómenos de contaminación en esta área costera tienen relación con su funcionamiento.

 

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 Área de estudio
Para el conocimiento de la calidad del agua en la zona de mezcla del ESSM y las BTySM, se utilizaron en total 18 estaciones de monitoreo (ver figura 1). La malla de muestreo implementada, incluyó 11 estaciones situadas en 3 anillos concéntricos a 100, 200 y 400 metros, en torno del punto medio de la longitud donde se ubican los difusores. Estas se denominaron estaciones en el anillo 1 (A11, A12, A13, y A14), anillo 2 (A21, A22, A23 y A24) y anillo tres (A31, A32, A33). Tres estaciones más, en la Bahía de Taganga (BT1, BT2 y BT3) y cuatro restantes en la Bahía de Santa Marta (BSM1, BSM2, BSM3 y BSM4).

Figura 1. Mapa del área de estudio con las estaciones de monitoreo al rededor del emisario submarino (11 estaciones) y las bahías de Santa Marta (BSM) y Taganga (BT)

2.2 Muestreo
El periodo de estudio fue de un año (2009), durante el cual se efectuaron doce campañas de muestreo (una por mes). En cada jornada se procedió a la recolección de muestras de agua en las 18 estaciones antes señaladas. Todas las muestras de aguas fueron obtenidas con la ayuda de una botella Van Dorn de 5 litros fabricada en PVC, la cual se limpió y enjuagó con alcohol al 95 % y agua destilada respectivamente, previo a cada lance. Dos profundidades fueron muestreadas en cada estación, fondo (entre 15 y 50 metros según localización) y superficie (1.5 metros).

Las muestras que fueron de tipo puntual, se almacenaron en neveras portátiles con hielo, remitidas el mismo día al laboratorio donde se mantuvieron a 4 °C hasta su procesamiento y análisis por métodos estandarizados [14-16], para lo cual se siguieron las recomendaciones de APHA [14]. Los parámetros de calidad del agua seleccionados incluyeron, amonio (APHA-4500-NH₃^- H), ortofosfatos (APHA-4500 P F), silicatos (APHA-4500 SiO₂ D), nitratos (APHA-4500-NO₃^- F), nitritos (APHA-4500-NO₂^- A), coliformes fecales y totales por el método del NMP. Las variables pH, salinidad, temperatura y oxígeno disuelto, fueron determinadas in situ con la ayuda de una sonda multiparámetro (YSI 556 MSP) calibrada previamente.

2.3 Análisis multivariado
Para determinar si los valores observados en cada muestra fueron independientes unos de otros, se efectuaron autocorrelaciones espaciales y temporales de los datos de calidad del agua usando análisis espacial y de series de tiempos respectivamente [15-17]. Los cálculos matemáticos se hicieron con Matlab 7.0 (MathWorks) y Excel 2003 (Microsoft Offices), mientras que los estadísticos se procesaron con Statgraphics XV (StatPoint). El análisis multivariado de la calidad del agua en el ACSM y la zona de mezcla del vertimiento del ESSM se realizó mediante las técnicas de Análisis de Componentes principales (ACP) y Clúster [15-17]. El análisis de varianza de doble vía (ANOVA) permitió estimar la variación temporal y espacial [15]. La normalidad y homogeneidad de los datos se examinó aplicando los test de Kolmogorov–Smirnov y Levene, respectivamente. La estructura espacial de los datos fue ilustrada con el método de gridding usando el software SURFER 9 [18].

 

3. RESULTADOS

Los estadísticos básicos de calidad del agua en la zona de mezcla del ESSM y las BTySM que resumen 4752 muestras (18 estaciones, frecuencia mensual durante un año, 2 profundidades en la columna de agua y 11 parámetros) se muestran en la Tabla 1 y las figuras 2 y 3. La Tabla 1 presenta los valores máximos y mínimos, la media y la desviación estándar para el oxígeno disuelto (O₂) y los parámetros que se determinaron analíticamente en el laboratorio (amonio (NH₄⁺), ortofosfatos (PO₄^3-), silicatos (Si(OH)₄), nitratos (NO₂^-) y nitritos (NO₃^-)). La figura 2 representa la variación temporal del pH en el fondo y la superficie de la columna de agua para cada estación de monitoreo, mientras que la figura 3 promedia la variación de la temperatura y la salinidad de las condiciones de muestreo en la zona de mezcla del ESSM y las BTySM; la densidad fue calculada a partir de la ecuación de estado para agua de mar [19], siguiendo la recomendación de la UNESCO [20].

Tabla 1. Estadísticos básicos de la calidad del agua en la zona de mezcla del ESSA y las BTySM (2009)Parámetros

Figura 2. Variación temporal del pH en las 18 estaciones de muestreo. Fondo (línea discontinua), superficie (línea continua)

Figura 3. Serie de tiempos de variación de la temperatura, salinidad y densidad. Fondo (línea continua), superficie (línea discontinua)

La ANOVA de dos vías mostró diferencias temporales significativas (p<0.01) en todas las variables estudiadas, exceptuando NO₃, NO₂ y Coliformes Totales (CT). El análisis de variación temporal es un indicativo de la renovación de las masas de agua o de la variación de los efectos de las posibles fuentes de contaminantes a las BTySM y la zona de mezcla del ESSM. Los registros de salinidad, temperatura y densidad, muestran una distribución de agua uniforme de diciembre y abril, donde se reporta muy poca diferencia entre los valores en la superficie y el fondo que reflejan condiciones de aguas más frías y con salinidades altas. El resto del año, con una excepción del mes de junio, ocurren aguas con temperaturas elevadas y salinidades bajas. En julio la columna de agua tiende a valores similares a los registrados en la primera época del año (Figura 3). La variación temporal de la temperatura, salinidad y densidad, además de las diferencias entre el fondo y la superficie de la columna de agua, son indicios de renovación de las masas de agua.

El NH₄⁺, PO₄^3-, Si(OH)₄, NO₂^- y NO₃^- presentan el mismo patrón temporal, concentraciones altas en julio y los primeros meses del año (de enero a abril); el resto del tiempo los valores tienden a ser bajos. Esta tendencia se conserva en ambos niveles de la columna de agua, siendo los valores del fondo, en general más altos que los registrados en la superficie (ver Figuras de la 4 a la 8).

Figura 4. Variación temporal de O₂ (mg/L)

Figura 5. Variación temporal de NH₄^- (mg/L)

Figura 6. Variación temporal de PO₄^3- (mg/L).

Figura 7. Variación temporal de Si(OH)₄ (mg/L).

Figura 8. Variación temporal de NO₂^- (mg/L).

Figura 9. Variación temporal de NO₃^- (mg/L).

Los niveles más bajos de la concentración de oxígeno desueto se registran en los primeros meses del año y en julio. Los valores reportados en este periodo están entre 4 y 5mg O₂/L, que se incrementan de agosto a noviembre hasta 8mg O₂/L. Los niveles de O₂ en el fondo de la columna de agua tienden a ser inferiores a los registrados en la superficie.

El patrón de variación temporal que reflejan los parámetros pH, NH₄⁺, PO₄^3-, Si(OH)₄, NO₂^-, NO₃^- y O₂, permiten determinar dos épocas del año en las cuales la calidad del agua es diferente. El análisis clúster (AC) basado en estas variables, incluyendo los Coliformes Fecales (CF) que también mostró diferencias temporales significativas, confirman la presencia de estos dos periodos de variación temporal. Para la aplicación del AC, los parámetros fueron normalizados dividiendo las concentraciones de muestras individuales por el máximo valor reportado (Ci/C_max) dadas las discrepancias en el orden de magnitud de los registros entre los parámetros considerados [17]. Los resultados se muestran en la figura 10.

Figura 10. Dendograma del AC de los 12 periodos mensuales y 8 parámetros.

De diciembre y abril, se registran las concentraciones más altas de estos parámetros, exceptuando el O₂. En el periodo de concentraciones altas se incluye igualmente julio. En los meses de mayo, junio, agosto – noviembre, se registran valores bajos de NH₄^-, PO₄^3-, Si(OH)₄, NO₂^-, NO₃^- y CF, coincidiendo con valores más altos de O₂.

La ANOVA de dos vías mostró diferencias espaciales significativas en las concentraciones del O₂, NH₄^-, PO₄^3-, CF y Coliformes Totales (CT). Al someter estos parámetros al AC, se encontraron dos clúster, en el primero, se encuentran las 11 estaciones cercanas a la descarga del ESSM (A11, A12, A13, A14, A21,A22, A23, A24, A31, A32 y A33). Este grupo se caracteriza por presentar concentraciones altas. En el segundo grupo están las estaciones localizadas en las BTySM, (BT1, BT2, BT, BSM1, BSM2, BSM3 y BSM4), las concentraciones de los parámetros tienden a ser menores, en este grupo. Los resultados del AC para el examen de la variación espacial se muestran en la figura 11.

Figura 11. Dendograma del AC de los 18 estaciones de muestreo y 5 parámetros.

El análisis espacial de las concentraciones de O₂ evidencia dos zonas claramente definidas. La primera zona esta en las inmediaciones de la descarga del ESSM, sus niveles pueden llegar hasta 3mg O₂/L, valores que se incrementan en las estaciones de las BTySM que representan la segunda zona (ver Figura 12). Al graficar las isoconcentraciones de NH₄^- (Figura 13) y PO₄^3- (Figura 14) se advierte la presencia de las mismas zonas homogéneas reportadas en el AC y las isoconcentraciones de O₂. Las concentraciones altas para estos parámetros ocurren en las cercanías a la descarga del emisario.

Figura 12. Variación espacial de la concentración de O₂ (mg O₂/L) en el fondo (Derecha) y la superficie (Izquierda) de la columna de agua a) Enero, b) Febrero, c) Marzo, d) Abril e) Mayo, f) Junio, g) Julio, h) Agosto, i) Septiembre, j) Octubre, k) Noviembre, l) Diciembre.

Figura 13. Variación espacial de la concentración de NH₄^- (mg /L) en el fondo (Derecha) y la superficie (Izquierda) de la columna de agua a) Enero, b) Febrero, c) Marzo, d) Abril e) Mayo, f) Junio, g) Julio, h) Agosto, i) Septiembre, j) Octubre, k) Noviembre, l) Diciembre.

Figura 14. Variación espacial de la concentración de PO₄^3-, (Derecha) y la superficie (Izquierda) de la columna de agua a) Enero, b) Febrero, c) Marzo, d) Abril e) Mayo, f) Junio, g) Julio, h) Agosto, i) Septiembre, j) Octubre, k) Noviembre, l) Diciembre.

La matriz de correlación de Pearson (Tabla 2) fue usada para determinar las relaciones entre los parámetros analizados, tanto los fisicoquímicos como los microbiológicos además de la salinidad y la temperatura. La influencia de las aguas marinas en las bacterias entéricas fue confirmada por la correlación negativa entre los coliformes totales y la salinidad (r=-0.21, p<0.05) y los coliformes fecales y la salinidad (r=-0.32, p<0.05). La correlación negativa entre la temperatura y los coliformes totales y fecales indican la probable influencia de este parámetro en la supervivencia de los microorganismos. La descarga de aguas residuales domésticas se evidencian por la correlación positiva y significativa entre los coliformes totales y fecales y el amonio.

Tabla 2. Correlación entre parámetros analizados

La técnica de ACP aplicada a los datos obtenidos en superficie y fondo permite precisar las principales fuentes de variabilidad del sistema. Del ACP se extraen tres componentes que juntos explican el 66.23% de la variabilidad total del sistema. El primer factor explicó el 38,59% de la variabilidad del sistema y esta correlacionado positivamente con la mayoría de las variables de estudio, exceptuando el oxígeno y la temperatura. Este factor nos ayuda a diferenciar la variabilidad dadas dos condiciones: aguas cálidas y ricas en oxígeno sin presencia de materia orgánica o mezcla de aguas residuales y aguas frías con materia orgánica, contenido alto de nutrientes y mezcla de aguas residuales domésticas. Las aguas frías son propias de masas de aguas de surgencia, mientras que las aguas más cálidas están asociadas con las masas de agua de la contracorriente Colombia [21]. El factor 1 está asociado a los patrones de circulación termohalinas del área de estudio. El segundo factor explica el 17.68% de la variación del sistema y permite diferenciar aguas con una mezcla importante de aguas residuales de origen doméstico, de aguas con una importante concentración de materia orgánica y nutrientes. El tercer factor al explicar el 9.97% de la variación, es menos significativo, separara las condiciones del fondo de la columna de agua frente a la superficie. Los resultados del ACP en los planos factoriales I y II, se muestra en la Figura 15, mientras que los pesos de los componentes correlacionados con las variables estudiadas se presentan en Tabla 3.

Figura 15. Puntajes del primer y segundo componente principal

Tabla 3. Pesos de los componentes

 

4. CONCLUSIONES

Los análisis de variación temporal permitieron diferencias; dos épocas del año en los cuales la calidad del agua es diferente. En el primer periodo que comprenden los meses entre diciembre y abril e incluye igualmente el mes de julio, las concentraciones de los parámetros que mostraron diferencias temporales estadísticamente significativas (pH, NH₄^-, PO₄^3-, Si(OH)₄, NO₂^-, y NO₃^-) son mayores; el resto del año se registra un descenso en sus valores. En este grupo está también el O₂ y los CF. El comportamiento del O₂ es inverso al mostrado por las otras variables. Los CF presentan una variabilidad más fuerte asociada con el criterio espacial, su patrón temporal, no es fácilmente definible con las herramientas usadas aunque sí mostró diferencias temporales significativas.

Las concentraciones de O₂, PO₄^3-, NH₄^-, CF y CT, mostraron variación espacial significativa (p<0.05). Ellos permiten diferenciar dos zonas dados los niveles de concentración de los parámetros analizados. La calidad de agua en estas está relacionada con la cercanía al emisario submarino.

Las técnicas estadísticas aplicadas al análisis de la variación espacial y temporal de la concentración de los parámetros medidos en la zona costera de Santa Marta, permite definir que los procesos de alteración de la calidad del agua registrados en las BTySM no tienen relación con la disposición final de aguas residuales realizadas por el emisario submarino.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a COLCIENCIAS y las universidades del Magdalena y de Antioquia por la financiación brindada para la ejecución de este estudio

 

REFERENCIAS

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