Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
Uso de Isotopos Estables para el Estudio de las Fuentes de Agua
Superficiales en el Ecuador y sus Implicaciones para la Gestión de
los Recursos Hídricos
Lima P.*
*Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Ciencias
Físicas y Matemática, Instituto de Investigación y Posgrado, Quito, Ecuador
e-mail: prlima@uce.edu.ec
Información del artículo
Recibido: julio 2018
Aceptado: septiembre 2018
Resumen
Esta investigación está enfocada en el análisis de los procesos de lluvia-escorrentía en las Montañas del
Ecuador con énfasis en las implicaciones de la gestión de recursos hídricos mediante el uso de los valo-
res de los isotopos estables de hidrogeno (δD) y oxígeno (δ18O). La pregunta que guía este estudio es
¿Cómo pueden los valores de δD y δ18O variar en procesos hidrológicos tales como lluvia-escorrentía en
los proyectos hidráulicos? En primer lugar, se realiza un análisis de la variación espacial y temporal de la
composición de isotopos en la lluvia en el Ecuador. Adicionalmente, se comparan estas variaciones con
los datos tomados de aguas superficiales durante diciembre 2016 y abril 2017 en ríos y glaciares ecua-
torianos. Los resultados del análisis de datos de las precipitaciones muestran que los isotopos estables
varían especialmente con la altitud y estacionalmente. En el caso de las aguas superficiales a pesar que
es más difícil definir cuáles son sus principales fuentes, la composición de isotopos estables exponen la
misma variación de las aguas lluvias. Esta dependencia muestra el gran potencial que tienen los isotopos
estables para representar y estudiar las fuentes de aguas superficiales en el Ecuador.
Palabras clave: Isotopos estables, lluvia, escorrentía, cuenca
Abstract
Tis study is focused on an investigation of rainfall and runoff processes in the Ecuadorian Andean
Mountains with emphasis on implications to the management of hydraulic resources using of δD and
δ18O values. Te following question have guided this project: (1) How do the δD and δ18O values vary
in runoff-rainfall processes in two adjacent watersheds that have different rainfall patterns? By answering
this question, a broader question of how can hydrogen and oxygen isotope compositions be used to im-
prove understanding of runoff sources in mountain streams and their contribution to hydraulic resource
projects? First, I analyzed the temporal and spatial variation of isotope composition of rainfall data in
Ecuador. I compared the previous data with surface water in streams and glaciers during two different
seasons in December 2016 and April 2017. Te results of this analysis exposed that rainfall isotope values
are more affected by altitude and seasonal factors than amount effect factors. Although in hydrologic
studies, surface water is difficult to understand, in this case, the results in runoff during both months
expose the same variation of the rainfall values. Tis dependency exposes the high potential that stables
isotopes have to represent and understand the sources of surface water in Ecuador.
Key Words: Stable Isotopes, streams, rainfall, runoff, watershed
38
38
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
Introducción
suma la problemática del déficit de estaciones hi-
drometereológicas en zonas del páramo debido a
Las interacciones del agua en una cuenca produ-
su difícil acceso.
cen diferente composición de isotopos estables de
oxígeno y el hidrógeno debido a los cambios de las
En este estudio se analiza la variación de las lluvias
fases del agua dentro del ciclo hidrológico [1]. Los
en el Ecuador usando los datos de la Agencia Inter-
isotopos estables tienen como característica prin-
national de Energía Atómica (IAEA), se comparan
cipal que el número de masa atómica es diferente
dichos valores con la variación de los isotopos en
en estos átomos debido al cambio del número de
aguas superficiales en el Ecuador durante el mes
neutrones. Esta diferencia en el número de neu-
de diciembre 2016 y abril 2017. Este análisis de la
trones no afecta en las propiedades químicas del
composición de los isótopos de hidrógeno (δD) y
elemento y sus compuestos, sin embargo, la difer-
de oxígeno (δ18O) se basa en la consideración de los
encia de masa puede afectar sutilmente en diferen-
principales factores que controlan la composición
cias químicas y físicas en los procesos que resultan
isotópica de la precipitación que son: temperatura,
en fraccionamiento isotópico [2]. Existen dos iso-
el efecto continental o de distancia, el efecto de la
topos estables de hidrogeno que son protio (1H),
altitud, el efecto de la latitud, el efecto de la canti-
y deuterio (D), y existen tres isotopos estables de
dad de lluvia y el efecto estacional.
oxígeno (16O,17O y 18O) dando la posibilidad a la
Metodología
formación a nueve posibles isotopólogos de agua.
La abundancia en la tierra del isótopo 18O es de
Con el fin de entender la distribución espacial de
0.20004% mientras que la del isótopo 16O es del
las lluvias en el Ecuador, en este estudio se usan las
99.7621% [2].
medias mensuales de 1712 valores de δD y δ18O
publicados en la Agencia International de En-
Las Montañas Ecuatorianas (ME) contienen fuen-
ergía Atómica (IAEA) que cubren 24 estaciones
tes importantes de aguas superficiales las mismas
en Ecuador. Además, para este análisis con el fin
que dependen de procesos hidrológicos que resul-
de analizar la influencia de las lluvias en la escor-
tan en infiltración, precipitación, evaporación y
rentía, se complementan 56 resultados de isotopos
desglaciación (Figura 1). Del mismo modo, estas
estables obtenidos de 28 muestras de ríos en el Ec-
fuentes influyen en otros mecanismos geomor-
uador durante diciembre 2016 y abril 2017 (Tabla
fológicos, ecológicos, químicos, y socio-económi-
1) la ubicación de estas muestras se exponen en la
cos aguas abajo [3].
Figura 1.
La mayor parte de proyectos hidráulicos en el
Ecuador dependen altamente de los procesos hi-
drológicos en las montañas (Figura 1). Por ejem-
plo, el Proyecto Hidroeléctrico Manduriacu tiene
el 39% de la superficie de su cuenca en zonas más
altas de los 3000 m.s.n.m. mientras que el Proyecto
Coca Codo Sinclair tiene un 54%. El objeto de este
estudio es analizar las diferentes composiciones de
los isotopos en los procesos de lluvia y escorrentía
con el fin de usarlos en la gestión de los recursos
hídricos.
Generalmente el entendimiento de los procesos
hidrológicos es muy complejo debido a factores
globales y locales que pueden influir. Entre los fac-
tores globales que afectan las lluvias en el Ecuador
se cuenta con mecanismos climáticos como: la Os-
cilación Decadal del Pacífico (ODP), los efectos del
Niño y la Niña (ENSO), y la zona de Convergencia
Intertropical (ZCIT) [4]-[6]. Los factores locales
relevantes son la orografía, e interacciones biogeo-
Figura 1. Localización de puntos de muestreo, proyectos hidráuli-
químicas. Adicionalmente, a esta complejidad se le
cos y sus subcuencas.
39
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
Las muestras de agua superficiales fueron obte-
Muestreo en abril 2017
nidas en los lugares descritos en la Tabla 1, reco-
ILLINIZA NORTE
5116
-10,24
-68,35
lectadas en botellas de plástico de alta densidad,
CAYAMBE NORTE
5773
-13,45
-92,19
fueron herméticamente tapadas y selladas. Las
ANTISANA
5712
-11,95
-82,61
muestras de glaciar fueron recolectadas en en-
vases de plástico de alta densidad pasando natu-
CUMBRE VEINTIMILLA
6234
-12,66
-86,9
ralmente a la fase líquida debido al aumento de
CUMBRE MAXIMA
6271
-12,02
-85,59
temperatura. El análisis de dichas muestras se lo
LOJA
2180
-6,97
-39,09
realizó en el Centro de Isotopos Estables (CSI) de
OÑA
2250
-8,5
-52,85
la Universidad de Nuevo México. La ubicación de
RIO BLANCO-LLOA
2370
-10,69
-70,56
los proyectos hidroeléctricos fue proporcionada
CASCADA MINDO VIA
por la Corporación Eléctrica del Ecuador (CE-
1315
-8,09
-51,99
CALACALI
LEC).
Los datos de precipitación se encuentran disponi-
bles libremente en la página web de la IAEA [7].
Isotopos Estables en Precipitación
Los resultados obtenidos en aguas superficiales y
Existen un sin número de factores que gobiernan
glaciares en este estudio se muestran en la Tabla 1.
la composición de agua meteórica. Entre los pro-
Tabla 1 Ubicación y valores de la composición de isotopos de oxígeno
cesos hidrológicos más importantes que contri-
e hidrogeno de las muestras de agua en aguas superficiales durante
buyen a los proyectos hidráulicos están la precipi-
diciembre 2016 y abril 2017
tación, escorrentía, infiltración, y desglaciación.
Elevación
δ18O
δD
En este estudio se analizará los procesos de preci-
Descripción de la muestra
(m)
(‰)
(‰)
pitación, escorrentía y desglaciación.
Muestreo en diciembre 2016
La gráfica que relaciona δD y δ18O de las aguas
ILLINIZA NORTE
5116
-10,24
-68,35
de origen meteórica, es decir las aguas que se
CAYAMBE NORTE
5773
-13,45
-92,19
originan de la atmósfera, presenta una relación
lineal con una pendiente de 8. Este no es el caso
ANTISANA
5712
-11,95
-82,61
de todas las aguas superficiales, ya que las fuen-
CUMBRE VEINTIMILLA
6234
-12,66
-86,9
tes de agua que han experimentado procesos de
CUMBRE MAXIMA
6271
-12,02
-85,59
evaporación, como es el caso de los embalses, ex-
LOJA
2180
-6,97
-39,09
ponen altos valores de δ18O [1], [2]. Al realizar
OÑA
2250
-8,5
-52,85
una regresión de ambos datos se obtiene que la
RIO BLANCO-LLOA
2370
-10,69
-70,56
mayoría de las aguas meteóricas se alinean con la
CASCADA MINDO VIA
línea meteórica global:
1315
-8,09
-51,99
CALACALI
RIO MINDO
1340
-9,11
-58,8
ANTISANA
3870
-14,29
-100,99
COTOPAXI P14
3195
-11,31
-77,37
PITA
3580
-11,48
-79,88
Isotopos Estables en Aguas superficiales
BOBONAZA
590
-5,46
-28,87
Los resultados obtenidos en la composición de
QUEBRADA ISHIQU-
3750
-12,58
-87,8
los isotopos estables de aguas superficiales están
EYACU
alineados con el agua meteórica (Figura 2). El
LAGUNA COLTA
3250
-3,31
-38,34
caso de la Laguna de Colta presenta un valor alto
RIO PUYO
970
-5,62
-29,36
de δ18O exponiendo los procesos de evaporación
CAYAMBE
5773
-12,58
-87,8
a través del fraccionamiento isotópico entre las
CAYAMBE
5773
-14,69
-102,13
fases del aire y la laguna que es típico en embalses
con tiempos de retención elevados.
40
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
en este mismo perfil es posible identificar dos
proyectos hidroeléctricos que dependen de la es-
correntía proveniente de las montañas andinas
que son Manduriacu en la parte del drenaje hacia
el Océano Pacifico y Coca Codo Sinclair que dre-
na hacia el Amazonas.
Figura 3. Variación anual de los isotopos estables en un corte de
las montañas del Ecuador y los proyectos hidráulicos a los que
influyen.
Figura 2. relación de δD y δ18O de la precipitación y aguas superfi-
ciales en el Ecuador
Efecto de la temperatura
Principales Factores que Controlan la
En el Ecuador especialmente existe una gran de-
Composición Isotópica de la Precipitación en
pendencia de la temperatura con la altitud debi-
el Ecuador
do a los drásticos cambios de gradientes desde la
parte costera hasta la cordillera andina y luego
hacia la Amazonía. Estos cambios orográficos
hacen que los valores de δD y δ18O en precipi-
Entre los principales factores que pueden afec-
taciones varían también fuertemente con la tem-
tar la variación isotópica en la precipitación son
peratura [8]. Este efecto no solamente es evidente
el cambio estacional, efecto espacial, efecto de la
en los valores de la composición isotópica de las
cantidad de lluvias, temperatura, distancia conti-
precipitaciones sino también en aguas superficia-
nental, y altitud. En este documento se analizan
les (Figura 4 y Tabla 1Tabla 2).
estos efectos y se destacan los más importantes.
Tabla 2 Datos de temperatura e isotopos de oxígeno en aguas superfi-
Las aguas naturales están sometidas principal-
ciales durante diciembre 2016
mente al proceso de evaporación. Este proceso
cinético se destaca en las aguas mostrando un
DESCRIPCION
Temperatura δ18O
δD
gran fraccionamiento de los isotopos estables
(° C)
(‰ )
(‰ )
encontrándose principalmente en las nubes, em-
RIO BLANCO-LLOA
15,2
-10,7
-70,6
balses, suelo, y respiración en plantas y animales.
RIO MINDO
18,4
-9,1
-58,8
La condensación, por otro lado, es un proceso de
ANTISANA
9,3
-14,3
-101,0
equilibrio que depende solamente de la tempera-
COTOPAXI P14
15
-11,3
-77,4
tura. Es importante reconocer los efectos isotópi-
PITA
11,1
-11,5
-79,9
cos de estos procesos en las masas de aire y de los
reservorios para mejorar nuestro entendimiento
BOBONAZA
24
-5,5
-28,9
acerca del ciclo hidrológico [2].
QUEBRADA ISHIQU-
9,4
-12,6
-87,8
EYACU
La figura 3 muestra cómo estos factores que in-
tervienen en el ciclo hidrológico interactúan con
Las correlaciones entre δD, δ18O y la temperatura
dos proyectos hidráulicos. En este caso, se expone
de las aguas superficiales en el Ecuador son:
que la variación anual de los isotopos estables en
los procesos de lluvia en el Ecuador varía prin-
cipalmente con la altitudFigura 3. Adicionalmente,
41
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
Analizando la figura 5 se puede evidenciar el
efecto de la distancia en la composición isotópica
de las aguas lluvias en la cuenca que drena hacia
el Océano Pacífico. Por otro lado, en la figura 6, la
zona que drena a la Amazonía presenta un com-
portamiento inverso. Esta diferencia muestra que
el efecto de la distancia es menos influyente en la
composición isotópica que el efecto de la altitud.
Figura 4.Variación de los isotopos de δ18O en función de la tem-
peratura en aguas superficiales del Ecuador.
Efecto continental
La precipitación se vuelve más liviana o con más
déficit de isotopos estables de hidrógeno y ox-
ígeno cuanto más se aleja de su fuente [2]. En el
Figura 6. Variación del deuterio en lluvias en estaciones ubicadas
caso del Ecuador la principal fuente de estos iso-
en la zona de drenaje hacia la Amazonía. La más cercana al Océano
topos es el Océano Pacífico. Por esta razón, en el
Pacifico es la de Papallacta que se encuentra a 218 km de distancia,
la más lejana es la de Lago Agrio a 350 km.
presente análisis se realiza una comparación de
las tendencias de valores de isotopos de las esta-
ciones ubicadas en las cuencas que drenan hacia
Efecto de la altitud
el Pacífico y la Amazonía considerando la distan-
cia desde las estaciones hasta el Océano Pacifico.
Este efecto hace que la composición de isotopos
estables de oxígeno e hidrógeno en el agua llu-
via disminuya con la altura. El efecto de la altitud
en el Ecuador es el más influyente sobre la com-
posición isotópica de las lluvias y escorrentía. La
altitud varía desde una elevación de 0 m.s.n.m. en
la Costa hasta los 6263.5 m.s.n.m en el Chimbo-
razo en solamente una distancia de aproximada-
mente 220 km. Luego, la altitud nuevamente dis-
minuye desde la cordillera andina hasta la región
amazónica desde los 6263.5 m.s.n.m. hasta los
200 m.s.n.m. en la frontera con Perú.
La composición de isotopos estables de oxígeno
en la precipitación varía linealmente con la altitud
[2]. Sharp (2017) explica que el gradiente de -0.26
Figura 5. Variación del deuterio en lluvias en estaciones ubicadas
en la zona de drenaje hacia el Pacífico. La más cercana es la de
‰/100m caracteriza este efecto de la mayoría de
Machala a 0 km de distancia, la más lejana es Amaluza a 142 Km
lugares en el mundo que alcancen los 5000 m. Sin
de la costa.
embargo, en el caso del Ecuador este gradiente
alcanza el valor de -2.8 ‰/100m en diciembre y
-3.5 ‰/100m en mayo (Figura 7).
42
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
Debido a estos altos gradientes, el efecto de la
altitud no solamente se ve reflejado en la pre-
cipitación pues las aguas superficiales también
presentan gradientes similares a las de las aguas
lluvias (Figura 7). Otro punto importante es que
las muestras tomadas de fuentes de origen glaciar
en el tope de las montañas presentan valores que
no corresponden a la tendencia normal de las llu-
vias evidenciando la complejidad en la represent-
ación de los procesos hidrológicos usando isoto-
pos estables en glaciares. Además, comparando
estos puntos con las muestras de aguas en ríos de
alta montaña muestran que la principal fuente de
Figura 8. Variación de la cantidad de dos diferentes estaciones del
Ecuador localizadas en la zona de drenaje del Pacífico (Izobamba) y
estos ríos del páramo no depende principalmente
Amazonía (Papallacta)
de la desglaciación.
Aunque, prácticamente el efecto de la cantidad de
lluvia se evidencia en la mayoría de previos estu-
dios relacionados con hidrología isotópica, en el
caso del Ecuador este efecto presenta excepcio-
nes. En las figuras 8 y 9 se representan dos esta-
ciones que tienen variación estacional totalmente
diferente. La estación de Izobamba ubicada en la
cuenca que drena hacia el Pacífico tiene variación
bimodal, por otro lado, la estación de Papallacta
que drena hacia la cuenca de la Amazonía tiene
una variación unimodal (Figura 8). La diferencia
en la variación estacional en ambas estaciones
evidencia la diferencia de las cantidades de lluvia
durante el año en el Ecuador en ambas cuencas.
Contrario a la propiedad de los isotopos relacio-
nado con la cantidad de lluvia, estas estaciones
presentan la misma tendencia de los valores de la
composición de isotopos estables (Figura 9).
Figura 7. Variación de la composición de isotopos de oxígeno en
lluvia y escorrentía en función de la altitud.
Efecto de la cantidad de precipitación
El efecto de la cantidad de lluvia tiene una correl-
ación negativa con los valores medios mensuales
de la composición de isotopos estables de oxíge-
no e hidrógeno [2]. Según indica toda la literatura
existente se ha establecido que mientras más can-
tidad de lluvia ocurre, menor es el valor de delta
Figura 9. Variación de la composición de deuterio en la lluvia
[2], [9], [10].
43
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
Efecto de la variación estacional
Analizando la variación mensual de la compo-
sición de isotopos estables en la precipitación se
puede observar que el efecto de la altura afecta
mayormente durante los meses de marzo, abril
y mayo, esto puede ser debido a efectos globales
sobre el clima como son los vientos alisios que
son un efecto de la ZCIT (Figura 5, Figura 6, y
Figura 9).
El resto del año esta variación de isotopos tiene
un rango menor evidenciando que puede existir
un tipo de precitaciones que dependen de efectos
Figura 11. Ubicación y variación de la composición de deuterio en
convectivos en las nubes.
aguas lluvias y superficiales en el Ecuador
El estudio detallado de estos procesos va fuera del
alcance de este documento por lo que se reque-
Referencias
rirá estudios más profundos para lograr un me-
[1]
J. R. Gat, «Oxygen and hydrogen isotopes in
jor entendimiento de los efectos climáticos en el
the hydrologic cycle», Annual Review of Ear-
Ecuador.
th and Planetary Sciences, vol. 24, n.o 1, pp.
225-262, 1996.
Conclusiones
[2]
Z. Sharp, «Principles of stable isotope geoche-
El presente estudio muestra que los efectos pre-
mistry», 2017.
dominantes en la composición de aguas lluvias en
[3]
P. Lima, M. Stone, E. Ortiz, y B. Andrew,
el Ecuador son el efecto de la altitud y la variación
«Analysis rainfall trends in ecuadorian andean
estacional (Figura 10).
mountains over 3000 mand their effects in hy-
Adicionalmente, esta variación de la composición
dropower projects», Congreso REDU, pp. 12-
de isotopos estables δD y δ18O en las aguas llu-
16, oct. 2018.
vias afecta directamente a las composiciones de
[4]
Y. Hu, D. Li, y J. Liu, «Abrupt seasonal varia-
las aguas superficiales mostrando que la influen-
tion of the ITCZ and the Hadley circulation»,
cia de las lluvias en los proyectos hidráulicos de
Geophysical Research Letters, vol. 34, n.o 18,
la zona es predominante en comparación a otros
sep. 2007.
procesos hidrológicos.
Los gradientes de la composición de isotopos
[5]
M. C. Molles, y C. N.Dahm, «A Perspective
estables son similares para los procesos de llu-
on El Niño and La Niña: Global Implications
via-escorrentía y alcanzan valores excepcionales
for Stream Ecology», Journal of the North
de -3.5 ‰.
American Benthological Society, vol. 9, n.o 1,
pp. 68-76, mar. 1990.
La influencia de otros factores globales como el
ZCIT deberán ser considerados para el estudio
[6]
M. Newman et al., «The Pacific Decadal Os-
hidrológico en el Ecuador usando isotopos es-
cillation, Revisited», Journal of Climate, vol.
tables.
29, n.o 12, pp. 4399-4427, jun. 2016.
44
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
[7]
«WaterIsotopes.org». [En línea]. Disponible
illustrations. vols. London: : Imperial College
en:
Press, 2010.
[Accedido: 20-jul-2018].
[10] J. Galewsky, H. C. Steen-Larsen, R. D. Field,
[8]
W. Dansgaard, «Stable isotopes in precipi-
J. Worden, C. Risi, y M. Schneider,
«Sta-
tation», Tellus, vol. 16, n.o 4, pp. 436-468,
ble isotopes in atmospheric water vapor and
1964.
applications to the hydrologic cycle», Rev.
[9]
J. Gat, Isotope hydrology: a study of the wa-
Geophys., vol. 54, n.o 4, p. 2015RG000512,
ter cycle, 1 online resource (vii, 189 pages) :
dic. 2016.
45
