Artículo científico: Modelación hidrogeoquímica del transporte de metales pesados ríos andinos del Ecuador
Publicación Semestral. Vol. 4, No 2, julio – diciembre 2025, Ecuador (p. 11-23)
Publicación Semestral. Vol. 4, No 2, julio-diciembre 2025, Ecuador (p. 11-23). Edición continua
Modelación hidrogeoquímica del transporte de metales pesados ríos andinos del Ecuador
Anahí Milena Mangui Andrade1*, María Fernanda Mendoza Quishpe1, José Luis Agreda Oña1
1Universidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de CAREN, Ingeniería Ambiental, Latacunga, Cotopaxi, Ecuador.
*Dirección para correspondencia: jose.agreda2101@utc.edu.ec
Fecha de Recepción: 10-02-2025 Fecha de Aceptación: 10-04-2025 Fecha de Publicación: 10-07-2025
Resumen
La presencia de metales pesados en el ambiente constituye actualmente una de las problemáticas más críticas a
nivel mundial. Este estudio tuvo como finalidad simular el comportamiento del Arsénico (As), Plomo (Pb) y
Cromo (Cr) en suelos de la parroquia Guaytacama, ubicada en Latacunga, Ecuador, mediante herramientas de
modelación numérica. Se realizaron muestreos sistemáticos en diferentes zonas del área de estudio, durante dos
épocas climáticas contrastantes, recolectando muestras de agua del río Pumacunchi y de suelo a distintas
profundidades, a fin de caracterizar propiedades como pH, conductividad, textura y concentración de metales. Las
muestras se analizaron conforme a protocolos técnicos (NTE INEN 2169:2013 - ISO 18400:2018) lo que permitió
comprender la interacción entre suelo y agua en la movilidad de contaminantes. La modelación del transporte fue
desarrollada con el software GeoStudio, utilizando sus módulos CTRAN/W y SEEP/W, donde se incorporaron
variables como la conductividad hidráulica del suelo, densidad seca, difusión y contenido de agua en su volumen
total. Los hallazgos revelaron niveles elevados de As, especialmente en la zona alta del área de estudio, superando
el límite normativo de 12 mg/kg y alcanzando hasta 46.84 mg/kg, mientras que las concentraciones de Pb y Cr se
mantuvieron por debajo de los valores permitidos. La mayor retención del As se asoció con la textura arenosa, la
pendiente del terreno y una escasa cobertura vegetal, que favorece su acumulación superficial sin llegar al nivel
freático. Estos hallazgos permitieron identificar patrones de transporte y acumulación de metales pesados en los
suelos andinos del Ecuador, evidenciando un riesgo ambiental focalizado debido a las concentraciones elevadas
de As; y a su vez, destacan la necesidad de implementar estrategias integradas de monitoreo y manejo del suelo,
adaptadas a las condiciones geo ambientales locales para reducir la contaminación y proteger la salud ambiental
y agrícola.
Palabras claves: Arsénico, dispersión, simulación, suelos agrícolas, transporte de contaminantes.
Hydrogeochemical modelling of heavy metal transport in Andean rivers of Ecuador
Abstract
The presence of heavy metals in the environment currently constitutes one of the most critical global issues. This
research aimed to simulate the behavior of Arsenic (As), Lead (Pb), and Chromium (Cr) in soils of the Guaytacama
parish, located in Latacunga, Ecuador, using numerical modeling tools. Systematic sampling was conducted
across different zones of the study area during two contrasting climatic seasons, collecting water samples from
the Pumacunchi river and soil samples at various depths to characterize properties such as pH, conductivity,
texture, and metal concentration. Samples were analyzed following technical protocols (NTE INEN 2169:2013 -
ISO 18400:2018), allowing for a better understanding of soil-water interactions in contaminant mobility.
Transport modeling was carried out using GeoStudio software, specifically its CTRAN/W and SEEP/W modules,
incorporating variables such as soil hydraulic conductivity, dry bulk density, diffusion, and total water content.
Ds Orcid:
Anahi Milena Mangui Andrade: https://orcid.org/0009-0004-7284-9529
María Fernanda Mendoza Quishpe: https://orcid.org/0009-0007-4207-1092
José Luis Agreda Oña: https://orcid.org/0009-0005-5858-869X
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Mangui, A., Mendoza, M., Ágreda, J.
The findings revealed elevated levels of As, particularly in the upper zone of the study area, exceeding the
regulatory limit of 12 mg/kg and reaching up to 46.84 mg/kg. Nevertheless, Pb and Cr concentrations remained
below permitted thresholds. The highest retention of As was associated with sandy texture, terrain slope, and
limited vegetation cover, which favors surface contaminant accumulation without reaching the groundwater level.
These insights enabled the identification of transport and accumulation patterns of heavy metals in the Andean
soils of Ecuador, highlighting a localized environmental risk due to high As concentrations. The study also
emphasizes the need to implement integrated monitoring and soil management strategies tailored to local
geoenvironmental conditions to reduce contamination and protect environmental and agricultural health.
Keywords: Arsenic, dispersion, simulation, agricultural soils, contaminant transport
1. INTRODUCCIÓN
La contaminación del ambiente por metales pesados se
ha convertido en uno de los problemas más complejos
a nivel global. Pabón et al. (2020), definieron a los
metales pesados como metales químicos de alta
densidad, con masa y peso atómico superior a 20 g/mol,
además los consideraron como elementos tóxicos en
concentraciones bajas.
En este sentido, la actividad agrícola genera un impacto
ambiental significativo a través de sus procesos
productivos, y en contraste a esto, esta actividad es de
vital importancia para el desarrollo del Ecuador en los
distintos ámbitos socioeconómicos, su rol no se limita
únicamente al sostenimiento de la soberanía
alimentaria, sino que además contribuye
significativamente en la economía, a través de los
tributos que las empresas constituidas en esta rama
aportan al erario nacional (De Jesús, Eras Agila et al.,
2021). Es así que, la contaminación del suelo por
metales pesados en zonas agrícolas se debe a diversas
fuentes, entre las más comunes están: los desechos
industriales y contaminación de afluentes (Hernández-
Caricio et al., 2022). Sin embargo, el uso de
fertilizantes y pesticidas dentro de la producción
agrícola es la principal causa contaminación que
adicionalmente es un tema poco investigado en el
contexto de la Provincia de Cotopaxi, ya que existen
algunas parroquias rurales que generan actividad
económica a través del cultivo extensivo de brócoli,
flores, papas y ganadería y no se ha logrado obtener
datos de estudios que presenten incidencias a la
degradación ambiental del biotopo conexo a estas
actividades, tal es el caso del sector de Guaytacama,
una zona rural movida por el agro y monocultivo, en
donde se delimitó el área de estudio de la investigación
(Calle & Vicente, 2024). La contaminación del suelo
con metales pesados tiene un impacto significativo que
influye en la fertilidad, producción de cultivos y daños
a las plantas (Sharma et al., 2020), lo que implica
impactos negativos a los recursos naturales, los
alimentos y salud a través de la cadena trófica y la
bioacumulación (Munive et al., 2020). Esta situación
ha generado una creciente preocupación y ha
impulsado la necesidad urgente de tomar conciencia
sobre sus impactos, y así motivar a la realización de
investigaciones que generen insumos para establecer
medidas de mitigación de los contaminantes (Palacios
Anzules & Moreno Castro, 2022). Con el fin de aportar
conocimiento sobre el transporte de contaminantes, en
específico sobre los metales pesados en medios
porosos como lo es el suelo se planteó determinar la
presencia de Arsénico (As), Plomo (Pb) y Cromo (Cr)
como contaminantes del tipo de metales pesados
(Mendoza et al., 2021). Mediante un muestreo
sistemático al azar, se obtuvieron datos para
caracterizar el sustrato del área de estudio, evaluando
su textura y parámetros fisicoquímicos. Entre los
parámetros analizados se incluyeron la porosidad y el
caudal de lavado, los cuales fueron fundamentales para
la posterior simulación del proceso de transporte de
contaminantes a lo largo del tiempo (Alva & Aguilar,
2021). Los fenómenos de transporte en el suelo son
clave para comprender el movimiento de fluidos y
partículas en medios porosos, incluyen procesos físicos
y químicos que regulan el movimiento de agua, solutos
y gases. La advección y la difusión molecular son
fenómenos esenciales en el transporte de
contaminantes que, se encuentran gobernados por la
Ley de Darcy y gradientes de concentración.
Interacciones como adsorción y desorción afectan la
movilidad de contaminantes y nutrientes, cruciales
para la remediación ambiental (Castelán et al., 2021).
La advección es un proceso fundamental en la
dinámica de fluidos que explica el traslado de
elementos como contaminantes y calor a través de un
fluido en movimiento, su relevancia se debe a la
transferencia de calor, la dispersión de contaminantes
y diversos procesos ambientales y geofísicos (Duitama
et al., 2023). Existen diversas maneras de entender
como los metales pesados se dispersan en un lapso de
tiempo dentro del suelo. La modelación es un proceso
que implica la creación de una representación
simplificada de un sistema o fenómeno del mundo real,
utilizando herramientas matemáticas, computacionales
o físicas (Ansaldo & Böhme, 2015). Mahmood Ajaj et
al. (2023) mencionaron que un modelamiento permite
identificar la dispersión significativa del contaminante
dentro del área de estudio. Por consiguiente, la pluma
de contaminación se caracteriza por la combinación de
diversos procesos de dispersión, siendo uno de los más
importantes la difusión (Suk et al., 2022). Este
fenómeno implica el movimiento de contaminantes
desde áreas de mayor concentración hacia áreas de
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menor concentración, siguiendo un gradiente de
concentración (Setiana Sri Wahyuni Sitepu, 2020).
En la actualidad, se observa una amplia aplicación de
la modelización en las ciencias ambientales (Pietrzak,
2021). En esta investigación, se modeló el fenómeno
de transporte de los contaminantes como lo son metales
pesados utilizando el software GeoStudio, que es un
conjunto de herramientas para el análisis numérico en
geotecnia desarrollado por Seequent (Flores et al.,
2022). La modelización de contaminantes se llevó a
cabo con CTRAN/W, una herramienta que investiga la
transferencia de contaminantes a través del suelo, así
como la dispersión y el transporte de estos en suelos y
agua (Vivekananda & Rao, 2023). Además, se utilizó
la extensión SEEP/W de GeoStudio, que se especializa
en el análisis del flujo de agua subterránea en
materiales porosos (Yusof et al., 2025).
Dado que en Guaytacama parroquia rural de
Latacunga, se llevan a cabo prácticas agrícolas que
implican un uso intensivo de fertilizantes y pesticidas,
es razonable suponer que estas actividades elevan la
concentración de metales pesados en el suelo y
promueven su desplazamiento (Velázquez et al., 2022).
El uso de fertilizantes y pesticidas en la agricultura
aumenta la presencia de metales pesados en el suelo y
favorece su movilidad en la región agrícola de
Guaytacama-Latacunga (Loyde et al., 2022). Esta
hipótesis se fundamenta en la idea de que los insumos
agrícolas pueden liberar metales pesados al entorno,
perjudicando tanto la calidad del suelo como la de las
aguas subterráneas.
2. METODOLOGÍA
2.1. Área de Estudio
La parroquia de Guaytacama, situada en el cantón
Latacunga, provincia de Cotopaxi, cuenta con una
población de 15.158 habitantes (INEC, 2022), Tiene
una extensión de 26.66 km² y se encuentra a una altitud
de 2922 a 2957 msnm. Limita al norte con las
parroquias de Toacaso y Tanicuchí, al sur con Polalo y
San Felipe, al este con el río Cutuchi, y al oeste con el
cantón Saquisilí (Paredes Ponluisa, 2023). Dentro del
área de estudio se identificó tres puntos de muestreo en
la zona: alta (Z1), media (Z2) y baja (Z3) (Figura 1).
Figura 1. Río Pumacunchi, distribución de las zonas
y puntos de muestreo en el sector Guaytacama,
Ecuador.
2.2. Periodo de muestreo
El muestreo se realizó en 2 periodos contrastantes en
sus condiciones climáticas. El primer muestreo se
desarrolló a los 20 días del mes de octubre del 2024,
donde las condiciones climáticas eran de baja
precipitación. Por contrario, el segundo muestreo se
llevó a cabo en el periodo de precipitación (20 de
diciembre de 2024). La diferencia en las condiciones
entre ambos momentos permite evaluar el impacto de
la lluvia en la concentración de metales pesados en el
medio ambiente. Se determina que en situaciones de
poca o ninguna precipitación, la concentración de
metales pesados suele aumentar debido a la ausencia de
procesos de dilución y transporte; pero, cuando hay
precipitaciones, se nota una reducción en la
concentración de estos elementos (Morgado et al.,
2022). La duración total del estudio fue de 90 días, lo
que permitió identificar con mayor claridad las
fluctuaciones en la presencia de metales pesados en
distintos escenarios climáticos.
2.3. Muestreo de Agua
Para el muestreo de agua, se seleccionó 2 puntos de
muestreo por cada zona distribuidos estratégicamente a
lo largo del Río Pumacunchi (Figura 1), con el fin de
asegurar la representatividad y accesibilidad, de
acuerdo con las pautas establecidas por Calcina et al.
(2022). Se empleó la metodología descrita por
Enamorado et al. (2022)., que se basa en un muestreo
compuesto, cada muestra fue recolectada en botellas de
1L previamente esterilizadas para preservar sus
propiedades fisicoquímicas, etiquetándolas con
códigos, fecha y hora del muestreo. Las muestras se
conservaron en contenedores isotérmicos durante su
transporte siguiendo protocolos establecidos en la
norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2169:2013
(Maurat et al., 2024). Posteriormente, las muestras
fueron evaluadas en el Laboratorio de Química
Ambiental de la Universidad Central del Ecuador para
13
Mangui, A., Mendoza, M., Ágreda, J.
establecer las concentraciones de metales pesados,
mientras que en la Universidad Técnica de Cotopaxi se
analizaron aspectos como: pH, conductividad eléctrica
y textura del suelo.
2.4. Obtención de muestras de suelo
La metodología de recolección de muestras se
fundamentó en un muestreo sistemático al azar. Se
estableció un punto de inicio aleatorio, a partir del cual
las muestras fueron extraídas en intervalos regulares de
3 metros, asegurando una distribución homogénea y
representativa del suelo (Vizcaíno et al., 2023). Se
recolectaron un total de 36 muestras de suelo,
distribuidas en 3 zonas de muestreo. En el primer
periodo de evaluación se recolecto 3 muestras de suelo
(riveras) del río por cada lado para un total de 6
muestras por cada punto y 18 en todas las zonas, la cual
se obtuvo en mes de octubre (Figura 1). De la misma
manera se realizó para el periodo 2 con presencia de
lluvias. Las profundidades del muestreo fueron a los
0.30 y 0.60 m (Acevedo et al., 2021), profundidades
donde se acumulan con mayor frecuencia estos metales
(Castro et al., 2023). El muestreo consideró 500 gr de
cada muestra, depositados en bolsas etiquetadas según
la normativa ISO 18400:2018 (Pérez, 2021). En el
laboratorio, las muestras se sometieron a secado en
estufa a 65 °C durante 24 horas; una vez secas, se
tamizaron (No. 10) para eliminar grumos y residuos
orgánicos, obteniendo una muestra homogénea
adecuada para análisis posteriores (Rosales et al.,
2021).
2.5. Determinación de pH
Para el análisis de pH en suelos se aplicó el enfoque
establecido por Zambrano et al. (2025)., en el que
menciona que el pH se mide con precisión mediante un
multiparámetro, que detecta variaciones en el potencial
eléctrico entre un electrodo sensible al ion hidrógeno
(H+) y uno de referencia. Este proceso requiere
preparar una suspensión de suelo con agua destilada,
en contacto con el electrodo de vidrio del dispositivo.
Para el análisis de pH se prepararon muestras de suelo
de 10 gr con 25 ml de agua destilada, se agitaron
mecánicamente por 5 min y se dejaron reposar durante
1 h. Posteriormente, se homogenizaron por 30 s y se
midieron los niveles de pH con un multiparámetro,
registrando los resultados para su análisis (Figueroa &
Neaman, 2023).
2.6. Determinación de Conductividad Eléctrica
Para realizar el análisis de conductividad eléctrica
primero se prepararon las muestras, se pesaron 50 gr de
suelo y se combinaron con 50-60 ml de agua destilada,
logrando una mezcla homogénea mediante agitación
manual. Las muestras se mantuvieron en reposo
durante 24 h para estabilizar sus propiedades
fisicoquímicas. Posteriormente, se empleó un sistema
de filtración al vacío compuesto por embudos Büchner
y matraces Erlenmeyer, en el cual el filtrado fue
recolectado en tubos de ensayo N° 9820 (Merani et al.,
2022). Finalmente, se realizó la medición de la
conductividad eléctrica en donde se aplicó el enfoque
establecido por Saldivar et al. (2024)., en el cual se
señala que la medición se hizo con ayuda de un
conductímetro digital HANNA, previamente calibrado
con soluciones buffer, se realizó la medición en cada
una de las muestras y se registró el resultado en
milisiemens por centímetro (mS/cm).
2.7. Determinación de textura
Para la caracterización granulométrica del suelo, se
pesaron 200 g y se sometieron a tamizado secuencial
con tamices de N°10 a N°270 mediante agitación
mecánica por 15-20 min. Luego se pesó las masas
retenidas en cada tamiz para calcular la distribución
granulométrica del suelo con ayuda de una balanza
analítica (Acosta et al., 2023). Mediante el tamizado se
facilita la separación y medición de partículas más
grandes, como grava y distintas fracciones de arena,
utilizando tamices con aberturas estándar. Las
partículas que atraviesan el tamiz número 200 (0.075
mm) corresponden a la fracción más fina, formada por
limo y arcilla. Luego, cada fracción, ya sea retenida en
los tamices o pasada por el tamiz más fino, se pesa con
exactitud. La textura del suelo se determina por el
porcentaje de su componente (PC) en peso de la arena,
limo y arcilla (Gutiérrez, 2023); el cálculo de PC se
realiza aplicando la fórmula correspondiente, detallada
a continuación:
= ó ()
()×100 ()
2.8. Modelamiento del transporte de contaminantes
El agua tiene un papel fundamental en la dispersión de
contaminantes en el suelo, afectada por aspectos como
la dirección del flujo, el gradiente, la velocidad del
agua, las variaciones estacionales y las características
químicas del agua. Las variaciones en la concentración
de contaminantes son el resultado de su movimiento a
través del medio poroso, incluso sin flujo (Rangel et al.,
2022). La cantidad de contaminantes dispersos
depende del grado de saturación del agua y su volumen
en el medio. Se emplean procesos de adsorción y
sedimentación para atrapar metales pesados, cuya
presencia en el agua es consecuencia de actividades
industriales, agrícolas o urbanas, y su concentración en
el suelo varía de acuerdo con la granulometría, la
composición química, las propiedades físicas y el
contenido de materia orgánica del suelo (Munar &
Méndez, 2021).
Para llevar a cabo la simulación de contaminantes se
empleó parámetros clave como la conductividad
hidráulica saturada, densidad seca, el coeficiente de
difusión y el contenido volumétrico del agua. Para
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representar el modelamiento de la pluma de
contaminación, se utilizaron las siguientes expresiones
matemáticas.
2.8.1. Coeficiente de difusión
Es una medida en el análisis del transporte de
contaminantes en medios porosos. Se determina a
partir de la concentración obtenida en muestras de
suelo, permite evaluar cómo se dispersan y movilizan
los metales pesados en el sistema. Se puede representar
en gráficos facilitando la modelación y predicción de
la contaminación en estudios ambientales (Primera &
Bohórquez, 2020), la fórmula que se aplica es la
siguiente:
=
(2)
donde:
= Porosidad
= Distancia
= Tiempo
= Diferencia de Concentración
2.8.2. Densidad Seca
La densidad seca (ρd) mide la masa de suelo seco por
unidad de volumen y es clave en la dispersión de
contaminantes. Permite simular la migración de
metales pesados considerando factores hidrodinámicos
y geoquímicos, ayudando a predecir su extensión y
concentración en el suelo Guevara & Canaza, (2023).
=
(3)
donde:
= Densidad Seca
= Masa de las partículas sólidas
= Volumen total del suelo
2.8.3. Ley de Darcy
La Ley de Darcy (q) describe el flujo de agua a través
de medios porosos y es clave para entender la
dispersión de contaminantes en el suelo (Vega et al.,
2024). Su ecuación general se expresa como:
=
(4)
donde:
= Caudal Instantáneo
= Permeabilidad
= Viscosidad dinámica del fluido
= Bajada de presión
2.8.4. Ley de Fick
La Ley de Fick se emplea para representar la dispersión
de contaminantes en medios porosos. Esta ley facilita
el cálculo de la tasa de difusión de contaminantes en el
agua subterránea, estableciendo una relación entre el
flujo de masa y el gradiente de concentración (Cachay
et al., 2022), su ecuación es:
=
(5)
donde:
= Flujo de partículas
= Coeficiente de difusión
= Concentración
= Posición en el espacio
2.8.5. Advección y dispersión
La ecuación de advección-dispersión describe cómo
una sustancia, como un contaminante o una partícula,
se transporta y se dispersa en un medio. Según
(Chamorro & López, 2016)., la ecuación que
representa a la advección y dispersión es:
+
=
(6)
donde:
u = Velocidad
= Tiempo
= Coordenada espacial
= Coeficiente de dispersión
= Constante de degradación
2.8.6. Difusión Molecular
La difusión molecular es el movimiento de moléculas
desde zonas de alta concentración a baja, impulsado
por gradientes y energía térmica (Ortega, 2024). Es
esencial en el transporte de nutrientes y la dispersión
de contaminantes, y se describe mediante la Ley de
Fick.
=2
1 + 2 (7)
donde:
= Contenido de agua [ L3/L3]
2.9. Perfiles de Simulación
En la Figura 2, se presenta los perfiles de cada una de
las zonas de estudio (Z1, Z2 y Z3). En las gráficas se
permite visualizar la morfología del terreno a lo largo
de cada sección. Cada perfil muestra la parte superficial
del terreno (sombreado azul), el perfil del Río
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Mangui, A., Mendoza, M., Ágreda, J.
Pumacunchi (excavación), los niveles freáticos (línea
rosada).
Figura 2. Perfiles para el modelamiento por
zonas.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se realizó el modelamiento para diferentes zonas en el
área de estudio en distancias comprendidas de 1000 m
a 2000 m, en un periodo de 90 d comprendido entre el
mes de octubre, como concentraciones iniciales y
diciembre como concentraciones finales.
3.1. Concentraciones de contaminantes
En la Figura 3, se encuentran las concentraciones
iniciales y concentraciones finales, de cada uno de los
metales pesados enfocados en la Z1, Z2 y Z3 donde se
encuentran los parámetros físicos químicos de mayor
interés. Se obtuvieron concentraciones de As, siendo
los valores mayores al límite máximo permisible según
el Acuerdo N°97/A que es 12 mg de As por kg de suelo.
Sin embargo, para el Pb y Cr, los valores reflejados son
menores que el límite máximo permisible, para de 19
mg/kg y 54 mg/kg respectivamente. Los resultados
obtenidos respecto a las concentraciones de As en las
muestras de suelo evidencian una marcada variabilidad
espacial entre las Z1, Z2 y Z3 de la parroquia
Guaytacama. En la Z1, los valores iniciales de As
oscilaron entre 6.10 y 17.43 mg/kg, mientras que las
concentraciones finales mostraron un aumento
considerable, alcanzando un valor máximo de 46.84
mg/kg, muy por encima del límite máximo permisible
(12 mg/kg). En la Z2, los valores iniciales variaron
entre 5.09 y 14.54 mg/kg, con concentraciones finales
que llegaron hasta 41.95 mg/kg. En contraste, la Z3
presentó valores iniciales de entre 3.07 y 16.74 mg/kg,
con valores finales notablemente más bajos,
alcanzando un máximo de 19.76 mg/kg. Por otro lado,
las concentraciones del Cr en relación con la Z1, Z2 y
Z3 no varían ya que sus concentraciones permanecen
en rangos <9 mg/kg, por consiguiente, el Pb en las Z1,
Z2 y Z3, su valor parte de valores < 0.5 mg/kg a < 5
mg/kg. En conjunto los metales pesados reflejan un
comportamiento diferencial del As en función de la
ubicación geográfica y características del suelo.
Figura 3. Concentraciones iniciales y finales de: As, Pb y Cr en la zona alta, media y baja.
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La mayoría de los datos en relación con el As,
sobrepasan al valor permisible en Ecuador; sin
embargo, para la investigación de Oña et al. (2024) los
valores de As son superiores a 98 mg/kg, esto sucede
por las constantes precipitación que se presentan en la
región de estudio. Por otro lado, en el estudio realizado
por Álvarez et al. (2023) en Perú, los valores van desde
2.0 mg/kg a 5 kg/mg debido a las temperaturas que
oscilan de 17.5 y 3.0 °C. De la misma manera el
estudio de Jaramillo & Hidalgo (2024) evidenció
valores < 0.5 mg/kg.
3.2. Parámetros para la simulación del transporte
de contaminantes
En la Tabla 1, se detalla los principales parámetros
empleados en la simulación de los contaminantes.
Entre estos se destaca conductividad hidráulica
saturada, el valor representado determina la velocidad
a la que los contaminantes avanzan a través del suelo,
este valor indica un medio con flujo lento, el cual es
ideal para la acumulación de metales pesados. La
densidad seca, el valor determina la capacidad de
retención del contaminante representativo para la
simulación. Coeficiente de difusión, los valores miden
como se dispersan los contaminantes en el agua dentro
del suelo, estos rangos abarcan la movilidad justa de un
contaminante. El contenido volumétrico del agua
representa la disponibilidad de agua para transportar
contaminantes, estos valores en un suelo franco
arenoso reflejan condiciones realistas.
Tabla 1. Parámetros de los metales pesados
Parámetro
Valor
Conductividad Hidráulica
Saturada
4. 36e-7 m/s
Densidad Seca
1623 kg/ m3
Coeficiente de difusión
(10-6 -10-9) g/m3
Contenido volumétrico del
agua
(0.15 a 0.35)
Textura
(60-75%) Franco
arenoso
El valor de la conductividad hidráulica saturada (tabla
1), se difiere con los valores reportados por Vidales
Barriguete, (2019) en suelo más compactos, dichos
estudios presentan valores más altos. Las muestras
recolectadas para el desarrollo de la simulación son de
suelos agrícolas, que nos arrojó una densidad seca de
1623 kg/m3, con relación a Ferreira et al. (2022) que su
valor es 2307 kg/m3, ya que son suelos para
construcción. En la investigación de Rollán &
Bachmeier. (2014) presenta coeficientes de difusión de
valores comprendidos de 10-8 g/m3, que son
relativamente similares a los coeficientes de difusión
que se presentan en la Tabla 1. Los valores del
contenido volumétrico son similares a Vera Muñoz.
(2021), quienes consideran que los valores
volumétricos siempre partirán desde 0.20 en adelante.
3.3. Transporte de contaminantes
El modelamiento se realizó mediante la herramienta
CTRAN/W, este simula el transporte del contaminante
en el suelo, considerando el rango de tiempo (90 d). En
la Figura 4, se presenta las simulaciones de los metales
pesados (As, Cr y Pb), para cada una de las zonas (Z1,
Z2, Z3). En la Z1, el As muestra una concentración
máxima de 46.8 mg/kg (color rojo) que representa la
transmisión del contaminante desde la superficie hacia
el interior del suelo, llegando a una concentración
mínima de 5.5 mg/kg (color amarillo) que se presenta
a 1 m desde la superficie y se expande hasta los 4.5 m
desde los puntos de muestreo; sin afectar el nivel
freático que se encuentra a los 5 m de profundidad del
suelo (línea rosa). Las concentraciones se muestran
para el rango de los 90 d respectivamente. Estos valores
que se representan, son similares a los valores que
reportados por Calcina et al.(2022) (10- 42 mg/kg).
Figura 4. Concentración simulada de metales pesados en la zona alta media y baja.
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Para la concentración del Cr, su valor de partida fue de
9 mg/kg (color rojo) que representa la transmisión del
contaminante desde la superficie hacia el interior del
suelo, llegando a una concentración mínima de 5 mg/kg
(color amarillo) y se expande hasta los 3.5 m desde los
puntos de muestreo. Por otro lado, el Pb presenta una
concentración máxima fue 5 mg/kg (color rojo) que
representa la transmisión del contaminante desde la
superficie hacia el interior del suelo, llegando a una
concentración mínima de 0.5 mg/kg (color amarillo).
Esta tendencia sugiere una posible acumulación del
contaminante As en la zona, posiblemente debido a
procesos de escorrentía superficial o a una mayor
retención del suelo generado por lluvias que
sobrepasan la tasa de infiltración de este (Hu et al.,
2023).
Para la Z2, el As presenta un máximo de concentración
de 24.7 mg/kg (color rojo) que representa la
transmisión del contaminante desde la superficie hacia
el interior del suelo, llegando a una concentración
mínima de 5.0 mg/kg (color amarillo) que se presenta
a 1 m desde la superficie y se expande hasta los 3.5 m
desde los puntos de muestreo; sin afectar el nivel
freático que se encuentra a los 5 m de profundidad del
suelo. A diferencia de Aruquipa Buitre et al. (2024),
que presenta valores menores a 30 mg/kg como valor
máximo y valores minoritarios superiores de 15 mg/kg,
esto discrepa de los datos obtenidos por la baja
actividad agrícola que se especifica en la investigación
del autor. Con respecto al Cr, tiene la misma tendencia
que a Z1, la concentración máxima es 9 mg/kg (color
rojo) que representa la transmisión del contaminante
desde la superficie hacia el interior, llegando a una
concentración mínima de 5 mg/kg (color amarillo) que
se presenta a 0.5 m desde la superficie. En el Pb, se
sigue conservando los mismos valores, la
concentración máxima es 5 (color rojo) que representa
la transmisión del contaminante, llegando a una
concentración mínima de 0.5 mg/kg (color amarillo).
Las concentraciones se muestran para el rango de los
90 d respectivamente. Estos valores son similares con
Munive et al. (2020), donde muestra valores de 1.2
mg/kg a 0.07 mg/kg. Aunque los niveles también
superan los límites establecidos, la variabilidad de los
datos sugiere una dinámica intermedia de movilidad
del As, influenciada por las características texturales
del suelo de un 75% de contenido de arena y la
pendiente del terreno (Vijayakumar et al., 2023).
En la Z3, existe un comportamiento similar observado
en las Z1 y Z2, la concentración máxima del As es de
19.7 mg/kg (color rojo) que representa la transmisión
del contaminante, llegando a una concentración
mínima de 5.5 mg/kg (color amarillo) que se presenta
a 1 m desde la superficie y se expande hasta los 2.5 m
desde los puntos de muestreo; sin afectar el nivel
freático que se encuentra a los 5 m de profundidad del
suelo. Estos valores coinciden en un 80% con los
valores expuestos por Kanda et al. (2023), donde su
valor máximo es de 30 mg/kg y su valor mínimo de 6
mg/kg. Para la concentración del Cr, se mantiene la
dinámica de la Z1 y Z2, la concentración máxima es 9
mg/kg (color rojo) que representa la transmisión del
contaminante, llegando a una concentración mínima de
4.6 mg/kg (color amarillo) que se presenta a 0.5 m
desde la superficie. Por contrario, Perez Mora. (2021)
redacta valores menores a < 5 mg/kg para
concentraciones de cromo, esto se da por la variación
del suelo al que se está estudiando. Con relación al
metal pesado Pb, las concentraciones representadas,
son consistentemente equivalentes en las tres zonas. La
concentración máxima es 5 mg/kg (color rojo) que
representa la transmisión del contaminante desde la
superficie hacia el interior del suelo, llegando a una
concentración mínima de 0,8 mg/kg (color amarillo).
Este valor es similar al mostrado por Cóndor & Teresa,
(2024), donde las concentraciones estudiadas oscilan
entre 2 a 4.31 mg/kg de Pb, esto por tener el mismo
suelo (franco arenoso). En esta última zona, se observó
una reducción de las concentraciones finales con
respecto a las iniciales (As), lo cual podría explicarse
por procesos de lixiviación hacia capas más profundas
o por una menor exposición a fuentes contaminantes
directas.
4. CONCLUSIÓN
Los resultados evidencian concentraciones de Pb (5
mg/kg) y Cr (9 mg/kg) bajo el límite permisible de la
normativa ecuatoriana. Por consiguiente, Cr en la zona
1 y 2 alcanza una mayor movilidad y acumulación,
pero en la zona 3 su presencia es más controlada. Para
el caso del Pb en la zona 1 y 3 tiene una distribución
leve, pero en la zona 2 se detecta un foco de
concentración en el centro norte. Sin embargo, esto no
representa un riesgo significativo para la calidad del
suelo. No obstante, se identificaron fuentes de
contaminación derivadas de prácticas agrícolas, como
el uso excesivo de agroquímicos y la disposición
inadecuada de efluentes, que podrían alterar
progresivamente el equilibrio del suelo.
Por contrario, el As presentó rangos de concentraciones
elevadas (6.1 mg/kg – 17.43 mg/kg) y valores finales
que ascendieron hasta 46.84 mg/kg, superando
ampliamente el límite máximo (12 mg/kg). El As en la
zona 1 presenta una alta concentración en la parte
superior central y distribución descendente hacia los
bordes, en la zona 2 se observa un patrón similar, pero
con mayor dispersión lateral y en la zona 3 los niveles
son más bajos, con una concentración reducida y
focalizada. Este incremento, en la zona 1 y 2 implica
una acumulación superficial por condiciones
geomorfológicas y edáficas: elevada pendiente, textura
franco arenoso, escasa cobertura vegetal y una tasa de
escorrentía que sobrepasa la capacidad de infiltración
del suelo. Estos factores promueven la acumulación del
18
Recursos Naturales Producción y Sostenibilidad
Artículo científico: Modelación hidrogeoquímica del transporte de metales pesados ríos andinos del Ecuador
Publicación Semestral. Vol. 4, No 2, julio – diciembre 2025, Ecuador (p. 11-23)
contaminante en la superficie y reduce la movilidad,
limitando la llegada al nivel freático, durante el periodo
de 90 días.
Agradecimientos.- Esta investigación fue realizada en
el contexto del Proyecto Formativo Biocinética en el
tratamiento de aguas residuales de la Universidad
Técnica de Cotopaxi (Ecuador). Los autores quieren
agradecer al equipo de trabajo de RENPYS por su
valiosa guía en la publicación de este trabajo.
Contribución de los Autores.- El Ing. José Luis
Ágreda Oña, Mgs, desempeñó un papel fundamental en
varias fases del proyecto. Se encargó del a
conceptualización definiendo los objetivos y metas
generales de la investigación. También realizó la
estructura general de la investigación desde el enfoque
metodológico hasta la selección del software adecuado
para el modelamiento matemático.
La Señorita Anahí Milena Mangui Andrade colaboró
con los estudios de SIG requeridos por la investigación,
generando mapas de muestreo y de la zona de análisis
a lo largo de toda la parroquia de Guaytacama,
seleccionado puntos representativos para el monitoreo,
tanto como en los ríos y en el recurso suelo para poder
estudiar los parámetros físicos y químicos de estos
elementos. También aportó varias discusiones sobre
parámetros fundamentales de calidad de agua y suelo.
La Señorita María Fernanda Mendoza Quishpe realizó
los perfiles de modelación en el software SEEP/W y
realizó la simulación de transporte contaminantes en el
módulo de CTRAN/W, generando perfiles de
advección y difusión a lo largo de la zona de estudio,
aportando información valiosa en la discusión de la
infiltración de contaminantes en la parroquia de
Guaytacama.
Financiación.- Para la investigación se utilizaron
recursos propios de la Universidad Técnica de
Cotopaxi, así como externos.
Conflicto de Intereses.- Los autores del manuscrito
titulado “Modelación hidrogeoquímica del transporte
de metales pesados ríos andinos del Ecuador” declaran
en forma voluntaria que la investigación fue realizada
con el apoyo de la Universidad Técnica de Cotopaxi,
utilizando recursos propios y externos para garantizar
un desarrollo imparcial. Además, las contribuciones de
los autores se desarrollaron de manera transparente,
asegurando la integridad científica en cada etapa del
proyecto. Los autores declaran no tener conflictos de
intereses.
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