Caracterización hidrogeoquímica e interpretación multivariante de las masas de agua subterránea en Toro (Zamora)

Abstract

La detección, en otoño de 2022, de niveles de arsénico superiores al límite permitido de 10 mg/L en el suministro de agua potable de origen subterráneo de la ciudad de Toro (Zamora), ha motivado este trabajo, que pretende dilucidar el origen y los mecanismos que controlan la movilización y transporte de As y otros elementos traza potencialmente tóxicos, ETT, en las masas de agua subterránea que confluyen en este municipio (masas de agua de Tordesillas, Tierra del Vino y Medina del Campo). El enfoque adoptado intenta evaluar la relación entre las características litológicas del entorno geológico y la composición química de las aguas. Para identificar posibles fuentes geogénicas de contaminación, se llevó a cabo un análisis elemental de 77 muestras de materiales sedimentarios extraídos de entre 10 y 270 m de profundidad en tres sondeos diferentes en la localidad de Toro, Fuentesecas y Morales del Vino. El cálculo del factor de enriquecimiento FE permitió identificar la presencia de elementos traza enriquecidos en relación con los niveles de fondo promedio de la corteza continental. Este análisis permitió detectar anomalías geoquímicas en elementos como As, Co y Sb, presumiblemente asociados a materiales arcillosos de origen terciario, cuya presencia puede tener implicaciones significativas para la calidad del recurso hídrico subterráneo a medio y largo plazo, si se continúan alterando los equilibrios de interacción agua-roca provocados por el incremento de nitratos de origen antropogénico en el agua subterránea y de la reducción progresiva del nivel de los acuíferos causado por la sobreexplotación de las masas de agua. Paralelamente, se desarrolló una caracterización hidroquímica de las aguas subterráneas mediante análisis de parámetros físico-químicos básicos (pH, conductividad eléctrica, potencial redox, temperatura), iones mayoritarios y elementos traza en 32 muestras, determinando las facies hidroquímicas mediante el diagrama de Piper. Esta información fue esencial para establecer patrones de evolución hidrogeoquímica en la zona de estudio y posibles procesos de interacción agua-roca responsables del enriquecimiento de ciertos elementos. La interpretación de los resultados se apoyó en el uso de herramientas quimiométricas, incluyendo análisis de componentes principales (PCA) y análisis de conglomerados jerárquicos, que permitieron identificar agrupamientos espaciales y patrones comunes entre las muestras, tanto de sedimentos como de agua. Estos análisis evidenciaron asociaciones significativas entre ciertos ETTs y determinadas unidades litológicas, lo que refuerza la hipótesis de un origen natural (geogénico) de estos contaminantes. Finalmente, se ha determinado la calidad de las aguas subterráneas analizadas para su uso agrícola, doméstico o industrial, determinando parámetros indicativos de riesgo de salinización del suelo, SAR, y dureza. La mayoría de las aguas analizadas pueden ser usadas para el riego, aunque con moderación debido a que sus elevados valores de dureza y SAR indican que pueden causar salinización del suelo y pérdida de fertilidad. En conjunto, los resultados obtenidos ofrecen una visión integral del comportamiento de los elementos traza en el sistema acuífero y de la calidad del agua subterránea en la zona investigada, y constituyen una base sólida para futuras evaluaciones de riesgo ambiental y propuestas de gestión sostenible del recurso hídrico en esta zona de la cuenca del Duero.

The detection, in autumn 2022, of arsenic levels exceeding the permitted limit of 10 µg/L in the drinking water supply of groundwater origin in the city of Toro (Zamora), prompted this study, which aims to elucidate the origin and mechanisms controlling the mobilization and transport of As and other potentially toxic trace elements (ETT) in the groundwater bodies converging in this municipality (Tordesillas, Tierra del Vino, and Medina del Campo groundwater bodies). The approach adopted seeks to assess the relationship between the lithological characteristics of the geological environment and the chemical composition of the waters. To identify possible geogenic sources of contamination, an elemental analysis was conducted on 77 samples of sedimentary materials extracted from depths between 10 and 270 m in three boreholes located in Toro, Fuentesecas, and Morales del Vino. The calculation of the enrichment factor (EF) made it possible to identify the presence of trace elements enriched relative to average continental crust background levels. This analysis revealed geochemical anomalies in elements such as As, Co, and Sb, presumably associated with Tertiary clayey materials, whose presence may have significant implications for the quality of the groundwater resource in the medium and long term, especially if the equilibria of water-rock interaction continue to be altered by increasing concentrations of nitrates of anthropogenic origin in the groundwater and by the progressive lowering of aquifer levels caused by the overexploitation of water bodies. In parallel, a hydrochemical characterization of the groundwater was carried out through the analysis of basic physicochemical parameters (pH, electrical conductivity, redox potential, temperature), major ions, and trace elements in 32 samples, determining the hydrochemical facies using the Piper diagram. This information was essential to establish hydrogeochemical evolution patterns in the study area and possible water-rock interaction processes responsible for the enrichment of certain elements. The interpretation of the results was supported by the use of chemometric tools, including principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis, which allowed the identification of spatial groupings and common patterns among the samples, both sediments and water. These analyses revealed significant associations between certain ETT and specific lithological units, reinforcing the hypothesis of a natural (geogenic) origin of these contaminants. Finally, the quality of the analyzed groundwater was determined for agricultural, domestic, or industrial use, by evaluating parameters indicative of soil salinization risk, such as SAR and hardness. Most of the waters analyzed can be used for irrigation, although with caution, since their high hardness and SAR values indicate they may cause soil salinization and loss of fertility. Overall, the results obtained provide a comprehensive understanding of the behavior of trace elements in the aquifer system and of groundwater quality in the investigated area, and constitute a solid basis for future environmental risk assessments and proposals for the sustainable management of water resources in this sector of the Duero basin.