ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA
ASOCIADA A DRENES AGRÍCOLAS EN UNA
REGIÓN TROPICAL
ANALYSIS OF WATER QUALITY ASSOCIATED WITH
AGRICULTURAL DRAINS IN A TROPICAL REGION
Juan Gabriel Loaiza
Tecnológico Nacional de México
Bladimir Montoya-Rodriguez
Tecnológico Nacional de México
Yaneth A. Bustos-Terrones
Instituto Tecnológico de Culiacán, México
Victoria Bustos-Terrones
Universidad Politécnica del Estado de Morelos, México
pág. 2952
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v9i1.16056
Análisis de la Calidad del Agua Asociada a Drenes Agrícolas en una
Región Tropical
Juan Gabriel Loaiza1
juan.gl@culiacan.tecnm.mx
https://orcid.org/0000-0002-5648-9496
Tecnológico Nacional de México
Instituto Tecnológico de Culiacán
México
Bladimir Montoya Rodriguez
m12170916@culiacan.tecnm.mx
Tecnológico Nacional de México
Instituto Tecnológico de Culiacán
México
Yaneth A. Bustos Terrones
yanethbt@hotmail.com
https://orcid.org/0000-0001-6445-2071
División de Estudios de Posgrado e
Investigación, SECIHTI
Instituto Tecnológico de Culiacán
México
Victoria Bustos Terrones
vbustos@upemor.edu.mx
https://orcid.org/0000-0002-4185-7540
Dirección Académica
de Ingeniería en Tecnología Ambiental
Universidad Politécnica del Estado de Morelos
México
RESUMEN
La calidad del agua para actividades humanas está cada vez más comprometida por el crecimiento
poblacional, la expansión urbana y los residuos industriales y agrícolas. La cuenca del río Culiacán, en
Sinaloa, es clave para la producción agrícola del país, con tierras intensivas que abarcan el 60% de su
superficie. Este estudio evalúa la calidad del agua en ocho drenes agrícolas de la cuenca, utilizando 22
parámetros físicos y biológicos registrados por CONAGUA entre 2012 y 2020. Se aplicaron cuatro
índices para un diagnóstico integral: índice de contaminación integral (ICI), índice de calidad del agua
(ICA), índice de estado trófico (IET) e índice de riesgo ecológico (IRE). Estos se eligieron por su uso
en investigaciones previas y programas de monitoreo. También se realizó un análisis de correlación de
Pearson para identificar las relaciones entre los parámetros. Los resultados muestran que el agua de los
drenes no es apta para consumo humano, aunque puede utilizarse en ganadería y agricultura. Se detectó
un alto grado de eutrofización, pero la baja concentración de metales pesados implica un bajo riesgo
ecológico. Este análisis proporciona información valiosa para la gestión sostenible del agua en una
región agrícola estratégica.
Palabras clave: calidad del agua, drenes agrícolas, eutrofización, índices de calidad, análisis
multivariado
1
Autor principal
Correspondencia: juan.gl@culiacan.tecnm.mx
pág. 2953
Analysis of Water Quality Associated with Agricultural Drains in a
Tropical Region
ABSTRACT
Water quality for human activities is increasingly compromised by population growth, urban expansion,
and industrial and agricultural waste. The Culiacán River Basin in Sinaloa is vital for the country's
agricultural production, with intensive farming covering 60% of its area. This study evaluates water
quality in eight agricultural drains within the basin, using 22 physical and biological parameters
recorded by CONAGUA from 2012 to 2020. Four indices were applied for a comprehensive diagnosis:
the Integrated Pollution Index (ICI), Water Quality Index (WQI), Trophic State Index (TSI), and
Ecological Risk Index (ERI). These indices were selected based on previous research and monitoring
programs. Additionally, Pearson’s correlation analysis was conducted to identify relationships among
the parameters. Results indicate that water from the drains is unsuitable for human consumption but can
be used for livestock and agriculture. A high degree of eutrophication was detected, though the low
concentration of heavy metals suggests minimal ecological risk. This analysis provides valuable
insights for sustainable water management in a strategic agricultural region.
Keywords: water quality, agricultural drains, eutrophication, quality indices, multivariate analysis
Artículo recibido 05 diciembre 2024
Aceptado para publicación: 25 enero 2025
pág. 2954
INTRODUCCIÓN
La escasez y contaminación del agua son problemas cada vez más comunes a nivel mundial, por lo que
el monitoreo de la calidad del agua en los cuerpos acuáticos se ha vuelto indispensable. La
contaminación proviene principalmente de actividades antropogénicas, como el crecimiento
poblacional, la producción de alimentos y las actividades industriales, así como de factores naturales.
Estas actividades alteran la calidad del agua y afectan su distribución (Grangeon et al., 2021). El
descontrol de las actividades humanas, especialmente las aguas residuales industriales, domésticas y
agrícolas, genera una explotación del recurso hídrico y afecta la calidad del agua superficial. Para
abordar estos problemas, es esencial estudiar las variables hidroclimatológicas y los parámetros de
calidad del agua, con el fin de comprender el impacto de la contaminación en los ecosistemas y tomar
medidas para mitigar los efectos de los contaminantes en los cuerpos de agua (Muñoz-Najera et al.,
2020).
Si las actividades antropogénicas no se controlan adecuadamente, el estrés hídrico podría aumentar,
afectando especialmente al sector agrícola, que es clave en la producción de alimentos. A lo largo de
los años, la disponibilidad de agua ha disminuido debido al calentamiento global y el aumento de las
actividades humanas, lo que ha hecho que la gestión del agua sea cada vez más crítica (Yaghoubi et al.,
2020). México, como uno de los principales productores y exportadores de alimentos, enfrenta el
desafío de mejorar las prácticas agrícolas para reducir la contaminación de sus cuerpos de agua,
principalmente por el uso excesivo de plaguicidas y fertilizantes (Tian et al., 2025).
Los drenes agrícolas son fundamentales para el riego de los cultivos, pero estos sistemas de distribución
de agua a menudo contienen plaguicidas y fertilizantes, que son necesarios para proteger las cosechas
(Ares et al. 2024). Esto convierte a la agricultura en una actividad antropogénica que contribuye a la
contaminación del agua (Bouaroudj et al. 2019). El Estado de Sinaloa, reconocido por su alta
productividad agrícola, se encuentra en la Cuenca del río Culiacán, que abarca 2,596.82 km². Este
estudio utiliza diversos índices para evaluar la calidad del agua en los drenes agrícolas de la cuenca,
como el índice de contaminación integral del agua, el índice de calidad del agua, el índice de estado
trófico y el índice de riesgo ecológico (Quevedo et al., 2018).
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La contaminación y mala distribución del agua son comunes en países con deficiencias en la regulación
ambiental, la falta de acuerdos entre empresas y entidades de protección ambiental. Para mitigar estos
problemas, es necesario desarrollar prácticas y normativas sostenibles que mejoren la calidad y
distribución del agua (Bustos-Terrones et al. 2024a, 2024b). El uso de técnicas estadísticas
multivariadas, como el análisis de componentes principales (ACP), y la aplicación de índices de calidad
del agua, ha sido útil para identificar fuentes de contaminación y proporcionar herramientas valiosas
para la gestión del recurso hídrico en escenarios futuros. Las metodologías empleadas en esta
investigación pueden aplicarse eficazmente para evaluar y mitigar los contaminantes que afectan la
calidad del agua en los cuerpos acuáticos. Por eso, el objetivo de este estudio es evaluar la calidad del
agua en los drenes agrícolas de la cuenca del río Culiacán utilizando diferentes índices de calidad del
agua y técnicas estadísticas, con el fin de proporcionar un diagnóstico ambiental integral y proponer
medidas para mitigar la contaminación y mejorar la gestión del recurso hídrico en la región.
METODOLOGÍA
Área de estudio
El presente estudio se llevó a cabo en la cuenca del río Culiacán ubicada en el Estado de Sinaloa (Figura
1) México (Bustos-Terrones et al. 2024b) donde se analizaron 8 drenes agrícolas que se encuentran
dentro de la cuenca. Los sitios de muestreo se localizaron en los municipios de Culiacán y Navolato,
con las siguientes coordenadas: en Culiacán, P1 en 24.82585°N, -107.50997°W; P2 en 24.8217°N, -
107.52932°W; P3 en 24.81976°N, -107.53582°W; y P4 en 24.82238°N, -107.564°W. En Navolato, P5
en 24.72352°N, -107.68215°W; P6 en 24.716753°N, -107.677918°W; P7 en 24.83999°N, -
107.72364°W; y P8 en 24.83433°N, -107.65428°W. Los cultivos agrícolas que se encuentran alrededor
de los drenes de la cuenca del río Culiacán durante el ciclo otoño – invierno I (octubre a marzo) son
tomate, chile, pepino y berenjena, mientras que en el ciclo primavera - verano (abril a septiembre) son
maíz y sorgo.
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Figura 1. Cuenca del Río Culiacán donde se encuentran los drenes agrícolas en estudio.
Parámetros de calidad del agua
Los parámetros de calidad del agua fueron proporcionados por la CONAGUA quien realizó el
monitoreo de manera bimestral del durante el periodo 2012-2020. Los parámetros monitoreados fueron;
coliformes fecales (CF), coliformes totales (CT), E.coli (EC), carbono orgánico total (COT), demanda
bioquímica del oxígeno (DBO), demanda química del oxígeno (DQO), amoniaco (NH3), nitratos (NO2-
), nitritos (NO3-),nitrógeno total (NT), nitrógeno orgánico (NO), fósforo Total (FT), Orto fosfatos (O-
PO4), sólidos disueltos totales (SDT), sólidos suspendidos totales (SST), turbiedad (Turb),
conductividad eléctrica (CE), dureza total (DT), pH, oxígeno disuelto (OD), sustancias activas al azul
de metileno (SAAM) y temperatura del agua (TA).
Estadistica multivariada de los parámetros del agua
Con los datos de los 20 parámetros, se llevó a cabo un análisis de correlación de Pearson para observar
el impacto de cada parámetro de calidad del agua en los drenes de la cuenca del río Culiacán y estudiar
la correlación entre las variables. Para este análisis se utilizaron todos los datos semestrales de la calidad
del agua del periodo 2012-2020 de los 8 drenes. El análisis se realizó con el software Statgraphics.
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El rango de estos coeficientes de correlación va de -1 a +1, y miden la fuerza de la relación lineal entre
las variables. Valores-P abajo de 0.05 indican correlaciones significativamente diferentes de cero, con
un nivel de confianza del 95.0%.
Índice de contaminación integral del agua
La aplicación de diferentes técnicas estadísticas facilita la interpretación y la evaluación cualitativa de
los datos proporcionados para comprender mejor la calidad del agua y el estado ecológico del sitio
estudiado. Los datos de los parámetros del periodo 2012- 2020 proporcionados por CONAGUA fueron
estudiados mediante análisis estadísticos como el del índice de contaminación integral el cual es una
técnica estadística y de síntesis de la información para evaluar cualitativamente la calidad del agua
superficial de los drenes agrícolas. La siguiente ecuación (1) se utilizó para determinar el índice de
calidad de agua integral (Bustos-Terrones et al. 2024a).
(1)
Este índice de contaminación integral del agua se utilizó para determinar si la calidad del agua es apta
para el consumo humano. Los parámetros para aplicar el cálculo del índice fueron el nitrato, nitrito
nitrógeno total, fósforo total, DQO y DBO. Los límites máximos permisibles que se utilizaron para
calcular el índice de contaminación integral fueron de estándares internacionales, los mismo que
aplicaron lo investigadores (Hossain & Patra 2020, Li et al. 2016, Linjin et al. 2021, Döndü et al. 2024).
Índice de calidad del agua
El ICA aplicado en esta investigación desarrollado por Quevedo en 2018 (Quevedo et al., 2018), es una
metodología que proyecta los efectos de los contaminantes originado principalmente por actividades
antropogénicas que termina dañando los cuerpos de agua. Por otro lado, el ICA permite evaluar los
cambios en la calidad del agua (Brown et al. 1970).
(2)
El ICA permite evaluar y simplificar el análisis de los cuerpos de agua al sintetizar las concentraciones
de nueve parámetros clave definidos por Brown. Estos parámetros se ponderan según su relevancia,
destacando el oxígeno disuelto (0.17) por su importancia para la vida acuática y los coliformes fecales
(0.15) como indicador de contaminación biológica.
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Otros parámetros, como pH, DBO5, nitratos y fosfatos, tienen un peso de 0.10, mientras que la turbidez
y los sólidos disueltos totales, con menor influencia, tienen un peso de 0.08. El cálculo del ICA integra
los valores relativos (Subi) multiplicados por sus respectivos pesos, sumándolos para obtener un índice
global expresado en porcentaje. Este índice clasifica la calidad del agua en cinco niveles: excelente (91-
100), buena (71-90), regular (51-70), mala (26-50) y pésima (0-25). Estas categorías ofrecen una
herramienta práctica para interpretar el estado del agua y apoyar la gestión ambiental, identificando
problemas y priorizando acciones para mejorar la calidad de los recursos hídricos.
Índice de estado trófico
El estado trófico es una herramienta para evaluar los niveles de nutrientes en cuerpos de agua y su
influencia en la productividad biológica (Oliveira et al. 2024). Este índice simplifica variables
ambientales y se aplica comúnmente en lagos, aunque también puede utilizarse en otros cuerpos de agua
superficiales. Se utilizó la metodología de Cunha y Lamparelli (2013) basada en fósforo total,
considerado el nutriente limitante más relevante para determinar el IET (ecuación 3).
(3)
Este índice categoriza los cuerpos de agua en seis niveles: ultra oligotrófico (IET ≤ 47), oligotrófico (47
< IET ≤ 52), mesotrófico (52 < IET ≤ 59), eutrófico (59 < IET ≤ 63), súper eutrófico (63 < IET ≤ 67),
e hiper eutrófico (IET > 67). Los niveles más bajos indican aguas con baja concentración de nutrientes
y alta calidad ecológica, mientras que los niveles más altos reflejan un enriquecimiento excesivo de
nutrientes, lo que puede llevar a problemas como proliferación de algas y deterioro de los ecosistemas
acuáticos.
Índice de riesgo ecológico
El IRE mide el grado de riesgo que enfrenta un cuerpo de agua debido a la presencia de metales pesados,
tanto en concentraciones altas como bajas (Langunu et al. 2024). Metales como cadmio, plomo, cromo,
arsénico y mercurio representan una alta toxicidad. El cálculo del IRE requiere conocer la concentración
de metales en el material particulado, utilizando la fórmula propuesta por Arteaga-Betancourt et al.
(2018) y considerando los niveles de referencia estándar para determinar el factor de contaminación
(ecuación 4) (Håkanson 1979).
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(4)
El IRE clasifica el riesgo ecológico en cuatro niveles: bajo (IRE < 1), que indica condiciones seguras;
moderado (1 ≤ IRE ≤ 3), que requiere monitoreo constante; considerable (3 ≤ IRE ≤ 6), que demanda
acciones correctivas; y alto (IRE ≥ 6), que representa un escenario crítico con urgencia de medidas
inmediatas para prevenir daños significativos al ecosistema. Esta clasificación permite identificar y
priorizar acciones para proteger y gestionar los cuerpos de agua afectados por contaminantes tóxicos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Correlación entre los parámetros estudiados
Con los datos de cada parámetro de la calidad del agua de la cuenca del río Culiacán, se construyó una
matriz de correlación de Pearson para realizar el análisis de las variables de calidad del agua con la
mayor covarianza. Es importante mencionar que los valores de los parámetros que más se acerquen al
valor 1 son los que tienen mayor correlación uno con otro. Se observaron correlaciones significativas
entre la mayoría de los parámetros de calidad del agua, incluidas las correlaciones positivas y negativas.
Estas correlaciones dependían de la fuerza de la relación lineal entre los parámetros (Bustos-Terrones
et al. 2024; Kothari et al. 2021; Panda et al. 2028).
En la Figura 2 se identificaron tres tipos de correlaciones entre los parámetros: positivas fuertes (cerca
de +1), negativas fuertes (cerca de -1) y débiles o nulas (cerca de 0), que reflejan diferentes relaciones
entre ellos. Las correlaciones positivas fuertes, como entre el pH y el NO, sugieren que un mayor
contenido de NO está asociado con un pH más básico. Las correlaciones negativas fuertes, como entre
la DQO y la materia microbiológica (CT, CF), indican que a medida que aumenta la DQO, disminuye
la concentración microbiológica. Por otro lado, las correlaciones débiles o nulas, como entre los SST y
la materia orgánica, sugieren que estos parámetros no están relacionados. Se observó una fuerte
correlación positiva entre la materia orgánica y los nutrientes del agua, con excepción del NO3, que
presentó una correlación negativa. El análisis de conglomerados mostró un agrupamiento según las
correlaciones observadas, dividiendo los parámetros en dos grupos: uno para las correlaciones positivas
y otro para las negativas (Loaiza et al. 2023).