Ingeniería 31(2): 57-79, julio-diciembre 2021. ISSN: 2215-2652. San José, Costa Rica
DOI 10.15517/ri.v31i2.44123
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Análisis de la calidad de aguas de vertido en el Distrito de Riego
Arenal-Tempisque (DRAT)
Wastewater quality analysis in Arenal-Tempisque Irrigation District
(DRAT)
Ing. Anayansi Wong Monge,
Escuela de Ingeniería de Biosistemas,
Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica
anayansi.wong@ucr.ac.cr
ORCID: 0000-0003-3539-310X
Ing. Alejandra María Rojas González, Ph.D.,
Escuela de Ingeniería de Biosistemas,
Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica
alejandra.rojasgonzalez@ucr.ac.cr
ORCID: 0000-0001-7984-7789
Recibido: 7 de octubre 2020 Aceptado: 1 de marzo 2021
Resumen
El Distrito de Riego Arenal-Tempisque (DRAT) es la dependencia gubernamental que regula la distribución
del agua de riego en ncas agrícolas de la provincia de Guanacaste, Costa Rica. El DRAT monitorea
semestralmente la calidad del agua de vertido utilizada en irrigación, generando reportes operacionales. Sin
embargo, no es una práctica común realizar estudios donde se analice el comportamiento estadístico de los
parámetros medidos en el tiempo para la toma de decisiones.
A partir de la caracterización de dos variables microbiológicas y veinte parámetros físico-químicos de
la calidad del agua residual se realizó un análisis de estadística descriptiva para doce puntos de muestreo
evaluados en un período de diez años (2008-2018). Se aplicó un análisis de componentes principales (ACP),
donde los autovectores no mostraron diferencias apreciables para visualizar el peso de las variables de forma
independiente. No obstante, el análisis permitió agrupar los parámetros más importantes que explican y
describen el comportamiento del sistema estudiado como: la concentración de sales (Componente Princi-
pal 1 (CP1)); las sustancias activas al azul de metileno (SAAM) y el contenido de nitrógeno total (CP2); y
la dinámica biológica (CP3); que se pueden relacionar con prácticas agrícolas. Adicionalmente, se llevó a
cabo un análisis de conglomerados jerárquicos para los lugares en estudio y un análisis de discriminante,
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obteniéndose una caracterización de cuatro clúster, donde los resultados de ambas pruebas fueron concor-
dantes con el ACP.
Palabras clave:
Análisis de componentes principales (ACP), análisis de conglomerados (AC), análisis de discriminante
(AD), aguas de vertido, y sistemas de irrigación.
Abstract
The Arenal-Tempisque Irrigation District (DRAT by its acronym in Spanish) is the government agency
that regulates the distribution of irrigation water in agricultural farms in the province of Guanacaste, Costa
Rica. The DRAT have been monitoring the wastewater quality used by irrigation every six months, generating
operational reports. However, it is not a common practice in irrigation districts to develop studies where
parameters behavior had been analyzed over time.
A descriptive statistical analysis was carried out for 12 sampling points evaluated in ten years (2008-
2018), based on the characterization of two microbiological and twenty physical-chemical variables of
wastewater quality. A Principal Component Analysis (PCA) was applied, where eigenvector values did not
show appreciable differences to visualize the weight of the variables independently. However, the analysis
allowed grouping the most important parameters that explain and describe the studied system behavior, such
as: salt concentration described by Principal Component 1 (CP1); methylene blue active substances (MBAS)
and total nitrogen (CP2); and biological dynamics (CP3); that can be related to agricultural practices. Fur-
thermore, a hierarchical cluster analysis was carried out for the study locations as well as a discriminant
analysis, obtaining a characterization in four clusters, where the results of both tests agreed with the PCA.
Keywords:
Cluster analysis (CU), discriminant analysis (DA), irrigation systems, principal components analysis
(PCA) and wastewaters.
Ingeniería 31(2): 57-79, julio-diciembre, 2021. ISSN: 2215-2652. San José, Costa Rica DOI 10.15517/ri.v31i2.44123
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1. INTRODUCCIÓN
Alrededor del mundo, aproximadamente el 40% de la producción alimentaria procede de tierras
agrícolas, de las cuales, cerca de un 20% es sometido a sistemas de riego. Los regadíos fomentan
la productividad agrícola al permitir la intensicación de las cosechas durante el año y la diversi-
cación de cultivos [1]. Los sistemas de irrigación tienen altos requerimientos del recurso hídrico,
por lo que se debe tener un control de las características físico – químicas de las fuentes de agua [2].
La calidad del agua para el riego agrícola ha sido ampliamente investigada, pues ejerce un
efecto directo en la producción de cultivos. Algunos de los problemas vinculados son: salinidad
por concentración de sólidos disueltos, velocidad de inltración del agua en el suelo que se asocia
con la relación de adsorción de sodio (RAS), sólidos en suspensión que puede provocar que no sea
apta para consumo humano o animal, contenido de nitratos y fosfatos, entre otros [3].
Altas concentraciones de sales generan restricciones abióticas que pueden impactar el balance
del sistema suelo – agua [4]. Si se aplican láminas de riego y son zonas con evapotranspiración
potencial (ETP) elevada, las sales se incrementan en el perl del suelo. Consecuentemente, se pro-
voca una reducción del agua disponible al aumentar el potencial osmótico de los suelos [5]. Los
sólidos disueltos en el agua son medibles a través de la conductividad eléctrica.
Respecto a la salinidad de las aguas de irrigación y la relación de absorción de sodio (RAS),
estas provocan un efecto interactivo con las propiedades físicas del suelo como: disminución en
la conductividad hidráulica, dispersión de las arcillas, encostramiento supercial, entre otros [6].
La presencia de iones de calcio y de magnesio se relaciona con la dureza total del agua, generando
incrustaciones o taponamientos en los sistemas cerrados de riego por aspersión. Es posible que
provoque problemas de inltración y precipitaciones en los suelos [7].
Los sistemas agrícolas de regadío son considerados generadores de contaminación difusa de
aguas superciales, pues pueden inducir problemas de eutrocación e hipoxia por excesos en con-
centración de sales de nitrógeno y fósforo por la aplicación de fertilizantes [8]
Según Pachepsky [9], la calidad microbiana de las aguas de irrigación puede ser afectada por
diferentes fuentes: patrones climáticos [10], deyecciones animales [11], fuentes de contaminación
difusa como la escorrentía que lava zonas de los agroecosistemas [12] o ingreso de aguas residuales
sin tratamientos adecuados [13], prácticas agrícolas como abonos orgánicos y purines [14]. Además,
se pueden producir cambios en la movilización del agua entre la fuente y los campos de cultivos. El
deterioro microbiológico depende de la interacción del agua con reservorios de microorganismos
en depósitos de sedimentos, bancos de suelos, algas y periton [15].
La estadística multivariada permite establecer las relaciones entre múltiples variables en siste-
mas complejos para simplicar y explicar su comportamiento. Entre algunas investigaciones rela-
cionadas con la calidad del agua se menciona una evaluación de la dinámica de la calidad del agua
con respecto a la variabilidad de los componentes espaciales y temporales, utilizando el análisis de
clústers (AC), así como un análisis de componentes principales (ACP) y factoriales en Queensland,
Australia [16]. En Egipto [17] se determinó un índice de calidad de agua de irrigación para regiones
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áridas y semiáridas usando análisis de correlación, el ACP y análisis factorial. Por otra parte, un
estudio realizó un AC y un ACP para determinar la variabilidad espacial en la calidad del agua del
lago Neusiedler See en Austria [18]; mientras que en India se evaluaron varias fuentes acuíferas
para determinar si la calidad del agua era idónea para el consumo humano o bien para ser utilizada
en irrigación, por medio de matrices de correlación y dendogramas [19]. A partir de análisis de
conglomerados (AC) y análisis de discriminantes (AD) se evaluó la calidad del agua con respecto
a variaciones espaciales y temporales en el sur de Florida [20]. Similarmente, en zonas estuarinas
con presencia de manglares de Malasia se aplicaron modelos de regresión múltiple y AD [21].
En este estudio se plantea como objetivo realizar una evaluación estadística multivariada a
partir de la caracterización de dos parámetros microbiológicos y veinte físico-químicos de los
reportes operacionales semestrales de calidad de aguas de vertido para determinar las relaciones
entre variables, su comportamiento y persistencia en el tiempo dentro del Distrito de Riego Arenal
Tempisque (DRAT), Costa Rica.
2. METODOLOGÍA
2.1 Área de Estudio
El Distrito de Riego Arenal Tempisque (DRAT) se ubica en la provincia de Guanacaste en
Costa Rica, cuyas coordenadas se muestran en la Fig. 1 y posee una altitud media de 63 m.s.n.m.
Al ubicarse dentro del Corredor Seco Centroamericano presenta un clima tropical seco. Además,
según datos de la estación Hacienda Mojica del Instituto Meteorológico Nacional (IMN) [23], el
régimen de precipitación predominantemente va de mayo a noviembre. Las mayores precipitacio-
nes ocurren en octubre y setiembre, con valores de 265,5 mm y 244,1 mm, respectivamente (Fig.
2). La estación Hacienda Mojica está localizada a 10° 26´59” Norte y 85°10´ oeste, a una altitud de
33 m.s.n.m. Las temperaturas máximas se presentan entre los meses de febrero a mayo con máxi-
mas promedio de 34,8°C en abril, una temperatura media de 30,2°C y mínima de 25,5 °C para el
mismo mes.
En el complejo hidroeléctrico Arenal-Corobicí-Sandillal (ARCOSA) se localiza el Embalse
Arenal, punto inicial de muestreo del DRAT. Las aguas son transportadas a tres casas de máquinas
para la generación de energía, no son consideradas aguas residuales ordinarias, ni especiales; pues
pasan por unidades turbogeneradoras sin provocar contaminación. Posteriormente, son conduci-
das hasta la presa derivadora Miguel Pablo Dengo Benavides (MPDB), donde se distribuyen a la
red de canales. Esta red está conformada por el canal principal del sur y el canal del oeste, que se
extienden por 8,5 y 21,9 km, respectivamente [24]. De ambos canales se despliegan derivaciones
secundarias y terciarias, con una red de infraestructura hidroagrícola que incluye 255 km de cana-
les de riego y 163 km de canales de drenaje como se presenta en la Fig. 1.