Revista REDES

REDES DE MONITOREO Importancia de las redes de monitoreo óptimas en la gestión de acuíferos

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REDES

26/01 2022

DISEÑO EDITORIAL Diane Gallardo Becerra COLABORADORES M. I. Pablo Gallardo Almanza Mtra. Norma Ramírez Salinas M. I. Leticia Becerra Soriano MÉXICO 2022

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ÍNDICE 4

CONCEPTOS BÁSICOS 4 Tierra 5 Ciclo Hidrológico Agua almacenada en los océanos Evaporación Agua almacenada en la atmósfera Condesación Precipitación Agua almacenada en los hielos y la nieve Agua de deshielo Escorrentía superficial Corriente de agua Agua dulce almancenada Infiltración Descarga de agua subterránea Aguas subterráneas almacenada 12 Monitoreo

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HIDROLOGÍA REDES DE MONITOREO Importancia de las redes de monitoreo óptimas en la gestión de acuíferos

CONCEPTOS BÁSICOS M. I. Pablo Gallardo Almanza Mtra. Norma Ramírez Salinas

TIERRA

Figura 1.1 Imagen de la Tierra captada por el satélite Terra de la NASA (2017).

Uno de los nombres con lo que se conoce a la Tierra es “el planeta azul”. Vista desde el espacio (Figura 1.1), la Tierra parece azul debido a la abundancia de agua que hay en su superficie: tres cuartas partes de la Tierra están cubiertas por mares y océanos, lo que supone 361 millones de km2 de agua salada. Los mares y océanos contienen prácticamente toda el agua del planeta, el resto es agua dulce de los ríos, los glaciares y los casquetes polares.

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La perennidad del aire que respiramos, el agua que bebemos, los alimentos que comemos y el clima en que vivimos están condicionados por los océanos (UNESCO, 2006).

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CICLO HIDROLÓGICO El ciclo hidrológico o conocido también como ciclo del agua, se define como “ciclo en virtud del cual el agua se evapora de los océanos y de la superficie de la tierra, es transportada sobre la Tierra por la circulación atmosférica en forma de vapor de agua, se condensa para formar nubes, se precipita en forma de lluvia o nieve sobre el océano y la tierra, donde puede ser interceptada por los árboles y la vegetación, genera escorrentía en la superficie terrestre, se infiltra en los suelos, recarga las aguas subterráneas, afluye a las corrientes fluviales y, en la etapa final, desemboca en los océanos, en los que se evapora nuevamente”. Los distintos sistemas que intervienen en el ciclo hidrológico suelen denominarse sistemas hidrológicos (IPCC, 2013).

En la Figura 1.2 se describe de manera general las 15 etapas o componentes del ciclo hidrológico: agua contenida en los océanos, evaporación, condensación, hasta la descarga de agua subterránea. Enseguida se describen los componentes del ciclo hidrológico.

Figura 1.2 Ciclo hidrológico (USGS, 2016).

a) Agua almacenada en los océanos b) Evaporación c) Agua almacenada en la atmósfera d) Condensación e) Precipitación f) Agua almacenada en los hielos y la nieve g) Agua de deshielo h) Escorrentía superficial i) Corriente de agua j) Agua dulce almacenada k) Infiltración l) Descarga de agua subterránea m) Agua subterránea almacenada

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Componentes del ciclo hidrológico:

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Figura 1.3 Océano en movim

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AGUA ALMACENADA EN LOS OCÉANOS

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La cantidad de agua que es “almacenada” en los océanos por largos períodos de tiempo, es OCÉANO EN MOVIMIENTO mucho mayor a la que actualmente se encuentra Las corrientes oceánicas se generan en movimiento en el ciclo hidrológico. Se estima principalmente por la acción del viento, la rotación del planeta, la fuerza gravitacional que de los 1 386’000,000 km3 que hay de de la Luna, las diferencias de temperatura y salinidad, la batimetría del fondo marino, el agua en la Tierra, alrededor de 1 338‘000,000 calor, entre otros. km3 son almacenados en los océanos. Esto es, Las corrientes oceánicas mueven grandes masas de agua alrededor de la Tierra. Estos alrededor de un 96.5% . También se estima, que movimientos tienen una gran influencia en el ciclo del agua y el clima. Las corrientes los océanos proveen de un 90% del agua que se oceánicas se clasifican en corrientes superficiales (cálidas y frías), profundas, evapora hacia la atmósfera. costeras y de mareas.

La Corriente del Golfo (número 14 de la Figura 1.4), es una corriente cálida del océano Atlántico, que mueve agua desde el Golfo de México a través del océano Atlántico, hacia Europa Occidental. A una velocidad de 97 km/ día, la Corriente del Golfo mueve 100 veces más agua que todos los ríos sobre la Tierra.

La corriente cálida, permite que el clima de Europa Occidental sea menos extremo que el de Europa del Este.

Las corrientes oceánicas influyen en el clima de las regiones, en la vida marina y en el ciclo de los nutrientes del agua. Un ejemplo de ello es, El Niño-Oscilación del Sur (ENOS).

El término El Niño se refería inicialmente a una corriente de aguas calidad que discurre periódicamente a lo largo de la costa de Ecuador y Perú, alterando la pesquería local.

Actualmente, este fenómeno oceánico está asociado a cierta fluctuación de un patrón global de presiones en la superficie tropical y subtropical que se denomina Oscilación del Sur. Este fenómeno atmósfera-océano acoplado, cuya escala de tiempo más habitual abarca entre dos y aproximadamente siete años, es conocido como ENOS. La fase fría de ENOS se denomina La Niña (IPCC, 2013).

CORRIENTES OCEÁNICAS Superficiales Profundas Cálidas Frías

Costeras De mares

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miento.

Las corrientes superficiales se subdividen en cálidas (van desde los trópicos hasta latitudes altas) y frías (se originan en latitudes polares y templadas, fluyen hacia el ecuador). Las corrientes profundas, son aquellas que tienen una profundidad de más de 100 m. El viento que sopla a lo largo de las costas incide en las olas del mar y éstas a su vez, en las corrientes costeras. Las corrientes de mareas, se generan por atracción gravitacional entre el Sol, la Tierra y la Luna; las mareas cercanas a la orilla de la costa, generan movimientos horizontales y verticales (marea alta o baja) creando corrientes.

7 Figura 1.4 Corrientes oceánicas superficiales (Hidrosfera, 2017).

Figura 1.5 Evaporación.

EVAPORACIÓN AGUA ALMACENADA La evaporación del agua, es el proceso por el que el agua EN LA pasa de líquido a vapor a una temperatura inferior a la del ATMÓSFERA punto de ebullición (WMO, 2012).

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La evaporación es el principal proceso mediante el cual, el agua cambia de estado líquido a gaseoso. La evaporación es el proceso por el cual el agua líquida de los océanos ingresa a la atmósfera, en forma de vapor.

Se estima que los océanos, mares, lagos y ríos proveen alrededor del 90% de humedad a la atmósfera vía evaporación, el otro 10% proviene de la transpiración de las plantas (USGS, 2016).

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El océano desempeña un papel muy importante en el clima. En los países tropicales, las nubes originadas por la evaporación, con la puesta del sol ocurre el enfriamiento del aire, este a su vez forma nubes tormentosas y la lluvia cae en forma de aguaceros cortos y violentos. A escala global, la misma cantidad de agua que es evaporada, vuelve a la Tierra como precipitación. Esto sin embargo varía geográficamente, sobre los océanos, la evaporación es más común que la precipitación; mientras que, sobre la tierra la precipitación supera a la evaporación.

El agua almacenada en la atmósfera como vapor, en forma de humedad y nubes.

La humedad atmosférica, es el contenido de vapor de agua en el aire (WMO, 2012).

Si bien la atmósfera no es importante almacenador de agua, es una vía rápida que el agua utiliza para moverse por el planeta. Las nubes son la forma más visible del agua en la atmósfera. El volumen de agua en la atmósfera es de alrededor 12,900 km3.

CONDENSACIÓN PRECIPITACIÓN La condensación, es la transición de la fase de vapor a la fase líquida (WMO, 2012). La condensación es importante para el ciclo hidrológico ya que forma las nubes. El vapor de agua se enfría al expandirse y encuentra temperaturas más frías en la atmósfera. El vapor se puede condensar en diminutas gotitas de agua, para formar nubes. Estas pueden producir precipitación. La condensación es responsable también de la neblina, es un fenómeno que consiste en la suspensión de gotas pequeñas de agua en la atmósfera.

Figura 1.6 Precipitación media anual global (Jackaranga, 2015).

La precipitación son los elementos líquidos o sólidos procedentes de la condensación o sublimación (gas a sólido) del vapor de agua que caen de las nubes o son depositados desde el aire en el suelo (WMO, 2012). En otras palabras, la precipitación es agua liberada desde las nubes en forma de lluvia, aguanieve, nieve o granizo. En la Figura 1.6 se aprecia en colores oscuros, las zonas que registran más precipitación (lluvia). Y en tonos claros, las zonas de menos precipitación (Jackaranga, 2015).

AGUA ALMACENADA EN LOS HIELOS Y LA NIEVE

Groenlandia

Antártida Figura 1.7 Mantos de hielo terrestre (USDSG, 2009).

El agua que es almacenada por largos períodos de tiempo en el hielo, la nieve o los glaciares forman parte del ciclo hidrológico.

ESCORRENTÍA SUPERFICIAL

Un glaciar es una masa permanente de hielo sobre la tierra originada por nieve comprimida. Los glaciares se mantienen por la acumulación de nieve en grandes altitudes, compensada por la fusión en altitudes bajas y por la descarga vertida al mar. A las masas de hielo con el mismo origen que los glaciares, pero de tamaño continental se le denomina manto de hielo.

Este último se subdivide en manto de hielo terrestre (actualmente, sólo existen dos, uno está en Groenlandia y otro en la Antártida), la segunda subdivisión es el manto de hielo marino, este abarca una región sustancial y reposa sobre una capa ubicada bajo el nivel del mar y cuyo perímetro está en contacto con el océano (el más conocido es el de la Antártida Occidental1), ver IPCC (2013).

En hidrología de superficie, el término “lluvia eficaz (LE)”, es parte de la lluvia que contribuye a la escorrentía superficial. En aguas subterráneas, la LE, es parte de la lluvia que contribuye a la recarga de los acuíferos. En agricultura, la LE, es parte de la lluvia que permanece en el suelo y contribuye al crecimiento de los cultivos (Figura 1.9. Se entenderá como escorrentía superficial a la parte de la precipitación que fluye por la superficie del suelo (WMO, 2012).

Hidrología de superficie

Manantiales

La escorrentía superficial es afectada por factores meteorológicos, geología y topografía del lugar.

Cultivos Figura 1.9 Escorrentía superficial.

La mayor parte de la masa de hielo de la Tierra, alrededor del 90 % se encuentra en la Antártida, y el 10% restante en Groenlandia (Figura 1.7).

AGUA DE DESHIELO

Una corriente de agua es una masa de agua que fluye en un cauce natural superficial; también se le llama corriente de agua a la masa de agua subterránea que fluye en una formación kárstica (WMO, 2012). Un río es una corriente de agua natural, perenne o intermitente, que desemboca a otras corrientes, o a un embalse natural o artificial, o al mar (LAN, 2016).

Figura 2.0 Formación kárstica.

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El agua de deshielo fluye hacia los cursos de agua, la escorrentía producto del deshielo, varía por estación y por año. El agua de deshielo puede producirse por la fundición por presión, la fricción o el calentamiento geotérmico, o bien ser el resultado del drenaje de la superficie fundida hacia la base a través de agujeros existentes en el hielo (IPCC, 2013). A causa del calentamiento se produce el deshielo y esto hace que aumente el nivel de los océanos 2.5 mm por año (UNESCO, 2006). En los ríos puede dar paso a crecidas significativa causada por el deshielo de la capa de nieve acumulada durante el invierno.

CORRIENTE DE AGUA

9 Figura 1.8 Deshielo.

Figura 2.1 G

AGUA DULCE ALMACENADA El agua dulce es considerada agua con baja concentración de sales, o generalmente considerada adecuada para producir agua potable (WMO, 2012). El agua dulce almacenada en tierra no contenida en glaciares ni mantos de hielo (esto es, agua almacenada en ríos, lagos, humedales, la zona vadosa, acuíferos, reservorios, nieve y permafrost). Los cambios en el almacenamiento terrestre de agua impulsados por el clima y las actividades humanas contribuyen al cambio del nivel del mar (IPCC, 2013).

INFILTRACIÓN La infiltración es el flujo de agua que penetra en un medio poroso a través de la superficie del suelo. La percolación es el flujo de un líquido a través de un medio poroso no saturado, por ejemplo, el flujo de agua en el suelo por acción de la gravedad.

Otro concepto importante es el flujo subsuperficial, que es cualquier flujo que se produce por debajo de la superficie del terreno que puede contribuir al interflujo (también llamado flujo hipodérmico, es parte de la precipitación que no se ha filtrado hasta el nivel freático, pero que se descarga como flujo subsuperficial en los cursos de agua), al caudal de base (es el caudal que se incorpora a una corriente de agua, procedente principalmente de aguas subterráneas aunque también de lagos y glaciares, durante períodos largos en los que no se produce ni precipitación ni fusión de nieve) o a la percolación.

En zonas de riego se presentan pérdidas de agua, debidas a filtración y evaporación en canales y acequias; agua consumidas en el sistema de canales; agua excedente drenada de superficies del terreno, y percolación profunda en el suelo bajo la zona radicular (WMO, 2012).

Parte del agua que precipita en el suelo recarga a los acuíferos, ese volumen de agua almacenado en el acuífero es disponible para su utilización. La recarga puede ser natural o artificial.

Lago

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Humedal

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Reservorio Figura 2.2 Agua dulce almacenada.

Figura 2.3 Infiltración (MET, 2017).

DESCARGA DE AGUA SUBTERRÁNEA Una porción de la precipitación que cae sobre la tierra, se infiltra en el suelo. Parte del agua infiltrada se mueve cerca de la superficie de la tierra y emerge rápidamente siendo descargada en los lechos de las corrientes de agua. Por efecto de la gravedad, una porción del agua se desplaza hacia zonas más profundas. En la Figura 2.6 se muestra la dirección y velocidad del movimiento del agua subterránea. La descarga subterránea se define como el conjunto de salidas naturales o artificiales de agua subterránea de un acuífero.

Manantial

Figura 2.4 Percolación (Rubicon, 2017).

Poza

Figura 2.5 Descarga de agua subterránea.

Figura 2.6 Movimiento del agua subterránea (USGS, 2016).

El agua subterránea se aloja en los acuíferos, y se mueve lentamente. Un acuífero es aquel estrato o formación geológica permeable que permite la circulación y el almacenamiento del agua subterránea por poros o grietas. En el diagrama se presenta la clasificación de los acuíferos: a) según su comportamiento hidráulico, comportamiento hidrodinámico, textura y según su estructura.

Aunque los sistemas de aguas subterráneas son a menudo muy localizados, el agua subterránea contribuye claramente a la base de recursos hídricos, constituyendo el 20% -50% del suministro de agua municipal.

Estimaciones recientes estiman que el recurso medio de agua subterránea renovable es de 2.091 metros cúbicos por persona al año, o alrededor de un tercio del total de recursos renovables per cápita.

Aproximadamente el 60% de la extracción de agua subterránea se usa para irrigar cultivos en regiones áridas y semiáridas. La información sobre el almacenamiento de agua subterránea es escasa y no es muy precisa debido al enorme esfuerzo y costo requerido para explorar y evaluar los embalses de agua subterránea.

Figura 2.7 Aguas subterráneas.

Comportamiento hidráulico Libre Confinado Semiconfinado Costero

TIPOS DE ACUÍFEROS

Comportamiento hidrodinámico Acuíferos Acuitardos Acuícludos Acuífugos Textura Porosos Fracturados

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AGUA SUBTERRÁNEA ALMACENADA

Gota de agua.

Las aguas subterráneas son un componente significativo del ciclo hidrológico. En el planeta, las aguas subterráneas representan 98% del agua dulce no congelada. En la naturaleza, las aguas subterráneas son responsables de muchos procesos geológicos y geoquímicos y sostén de varias funciones y servicios ecológicos. Las aguas subterráneas deben integrarse en la dimensión económica, social y ambiental de los recursos hídricos.

Muchas personas dependen de las aguas subterráneas como suministro de agua potable y para garantizar la seguridad alimentaria y la vida sustentable. Las aguas subterráneas también pueden tomarse en cuenta como una fuente segura de agua para beber en regiones áridas y semiáridas, así como en islas pequeñas e incluso en situaciones de emergencia (UNESCO, 2017).

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MONITOREO

El monitoreo es la observación, medición, y evaluación estandarizada, continua o frecuente, de fenómenos medioambientales utilizados para el control y la prevención.

La red de monitoreo, es un conjunto de estaciones de medición en una cuenca o un ecosistema con una distribución espacial dada para la medición sistemática de variables que permiten evaluar tendencias o comportamientos específicos (WMO, 2012).

Figura 1.0 Red de monitoreo.

Las redes de monitoreo pueden funcionar como sistemas de alerta y prevención contra la sobreexplotación y contaminación de cuerpos de agua. Existen redes de monitoreo a corto, mediano y largo plazo.

Por ejemplo, el monitoreo de niveles de agua subterránea por períodos largos de tiempo, permite estimar la disponibilidad del agua subterránea, así como conocer la evolución de los niveles.

El monitoreo de aguas subterráneas puede ser entendido como un programa continuo, metodológico y técnico de observaciones estandarizadas, mediciones y análisis fisicoquímicos y biológicos de las variables seleccionadas del agua subterránea. Estos objetivos son: 1) colectar, procesar y evaluar la calidad y cantidad de los datos de agua subterránea como línea base para evaluar el estado actual y tendencias de predicción en las aguas subterráneas en el tiempo y en el espacio debido a procesos naturales e impactos humanos; 2) para proporcionar datos e información para la planeación, políticas y gestión de la protección y conservación de los recursos de aguas subterráneas; para hacer frente a los problemas de calidad y cantidad de las aguas subterráneas en relación con el desarrollo económico y social, necesidades ecológicas, así como para identificar oportunamente y prevenir impactos de desastres en las fuentes de agua subterránea.

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Los objetivos de cada programa de monitoreo determinan el alcance de las actividades de monitoreo, tales como el diseño de redes de monitoreo, la construcción de pozos de monitoreo, métodos y frecuencia de medición y toma de muestras y el número de variables a analizar. Objetivos claramente definidos del monitoreo de aguas subterráneas son esenciales para lograr los resultados esperados. Un programa de monitoreo de aguas subterráneas es un componente importante de la política de protección de las aguas subterráneas.

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El monitoreo de la calidad y cantidad del agua subterránea, mediante la medición y evaluación de datos ayudan para aclarar y analizar el riesgo potencial, el impacto de los desastres en sistemas de agua subterránea y la gestión de los recursos hídricos subterráneos en áreas afectadas por contaminación antropogénica o natural. Sin embargo, los programas existentes de monitoreo de aguas subterráneas son en su mayoría concernientes con la identificación y control de las consecuencias de los impactos sobre las aguas subterráneas y no se refieren a las medidas preventivas de protección de las aguas subterráneas. El establecimiento y la operación de sitios específicos y programas de monitoreo de aguas subterráneas de alerta temprana en zonas propensas a la contaminación también es necesaria, en particular, la contaminación en la zona no saturada antes de que el acuífero se vea afectado. Esta estrategia de monitoreo ayuda en la identificación oportuna de los impactos naturales o humanos en un sistema de agua subterránea mientras todavía son controlables y manejables; también para entender mejor y predecir los procesos que conducen al deterioro de las aguas subterráneas. Esta estrategia también es compatible con

la evaluación de los riesgos para las aguas subterráneas y designar políticas de protección preventiva eficaz de las aguas subterráneas (UNESCO, 2011).

El diseño de redes de monitoreo de aguas subterráneas de un sitio específico se basa en el origen y riesgo de los desastres naturales, los impactos humanos sobre las aguas subterráneas, la vulnerabilidad del acuífero y el tiempo relacionado necesario para tomar las medidas adecuadas con respecto al problema potencial de aguas subterráneas. También controlan la construcción de pozos de monitoreo –en particular la instalación de rejillas, selección y colocación de dispositivos de monitoreo, frecuencia del monitoreo y del muestreo, y el rango de variables analizadas.

El monitoreo permite identificar y prever el resultado de un proceso que conduce al deterioro tanto en calidad como en cantidad de las aguas subterráneas, con suficiente margen de maniobra para poner en marcha medidas para mitigar la magnitud del riesgo que representa para las aguas subterráneas por contaminación en la zona no saturada.

El seguimiento de programas vinculados con actividades de protección, tales como hidrogeología y cartografía de la vulnerabilidad, la delineación de las zonas inundables y otras zonas de riesgos, realizar un inventario y cartografía de los pozos de abastecimiento de agua existentes, perforación de nuevos pozos (piezómetros), la designación políticas gubernamentales de emergencia y participación de la comunidad y la participación activa son las actividades básicas que apoyan de manera efectiva las políticas de protección y gestión de los suministros de aguas subterráneas.

El monitoreo de acuíferos profundos confinados se centra en la identificación oportuna de migración vertical potencial hacia abajo o hacia arriba de los contaminantes, así como su movimiento lateral dentro del acuífero. Las zonas objetivo específicas y el monitoreo de los acuíferos profundos son sus áreas de recarga, interacción de los cuerpos de agua superficiales con sistemas de aguas subterráneas, y otras áreas vulnerables del acuífero, por ejemplo, flujos descendentes verticales o flujos ascendentes suprayacentes o subyacentes al acuífero debido a fracturamiento en la zona tectónica activa. En estas áreas la operación de redes de monitoreo basado en mediciones regulares de niveles piezométricos y de muestreo, análisis de componentes químicos básicos y análisis de trazadores ambientales no reactivos (isótopos radiactivos y estables, cloruro) ayudan a definir el origen, edad y caudal neto de las aguas subterráneas. La evaluación de estos datos apoya el establecimiento de un modelo conceptual o recalibración de un modelo matemático. Esto permite mejorar la previsibilidad del impacto de la contaminación del agua subterránea y formular o modificar estrategias de gestión de aguas subterráneas para optimar las políticas de protección de las aguas subterráneas.

Referencias bibliográficas IMTA (2017), Gallardo, P., Ramírez N., Diseño de redes de monitoreo de calidad del agua, Manual.

IPCC (2013). Glosario [Planton, S. (ed.)]. En: Cambio Climático 2013. Bases físicas. Contribución del Grupo de trabajo I al Quinto Informe de Evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático [Stocker, T. F., D. Qin, G. –K. Plattner, M. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex y P. M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido y Nueva York, NY, Estados Unidos de América.

Jackaranga (2015). Página web. (https://es.wikipedia.org/wiki/Precipitaci%C3%B3n_ (meteorolog%C3%ADa)#/media/File:World_precip_annual.png.GFDL.https://commons.wikimedia. org/w/index.php?curid=3144797 LAN (2016). Ley de Aguas Naturales. Diario Oficial de la Federación. Última reforma publicada DOF 24-03-2016.

MET (2017) Página web: https://www.meted.ucar.edu/sign_in_es.php?go_back_to=http %253A%252F%252Fwww.meted.ucar.edu%252Fhydro%252Fbasic%252FRunoff_es%252Fprint_ version%252F04-soilproperties.htm#

UNESCO (2006). Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (en inglés United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization). Hablemos de los Océanos. Basado en la obra: “Hablemos de los Océanos”. Ediciones UNESCO 2003. París.

UNESCO (2011). Groundwater for emergency situations. A methodological guide. Edited by Jaroslav Vrba and Balthazar Verhagen. IHP-VII Series on Groundwater No. 3. International Hydrological Programme. Division of Water Sciences. Printed in France USDSG (2009). US Dept. of State Geographer. GeoBasis-DE/BKG. Google (2016). Data SIO, NOAA, U. S. Navy, NGA, GEBCO. USGS (2016). Servicio Geológico de los Estados Unidos (U.S. Geological Survey). https://water. usgs.gov/edu/watercyclespanishhi.html WMO (2012). International Glossary of Hydrology. WMO-No. 385. World Meteorological Organization (ISBN 978-92-63-03385-8). United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization (ISBN 978-92-3-001154-3).

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Rubicon (2017). Página web: https://www.rubiconwater.com/news/spain-modernisation-insights/ qu-es-el-riego-por-superficie-de-alto-rendimiento

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REDES DE MONITOREO

HIDROLOGÍA

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M. I. Pablo Gallardo Almanza M. I. Leticia Becerra Soriano

El monitoreo y la detección temprana de flujos contaminantes incipientes en zonas de recarga de aguas subterráneas, en la zona no saturada y en el nivel freático del agua subterránea antes de que se diluyan en el acuífero, da tiempo suficiente para la aplicación de medidas de protección y de gestión antes de que pueda ocurrir contaminación masiva del agua subterránea. Esto enfatiza la importancia de los programas de monitoreo de sitios específicos. Al diseñar una red de monitoreo óptima es importante considerar el objetivo de la red, la cantidad de pozos con información piezométrica y, la frecuencia de las mediciones. El objetivo principal de una red de monitoreo de aguas subterráneas es medir las variaciones del nivel piezométrico del acuífero para determinar los gradientes y direcciones del flujo subterráneo con un mínimo de pozos de observación y así representar la piezometría de un acuífero con un costo mínimo de inversión. Para este análisis se tomó en cuenta una red piloto inicial existente de 84 aprovechamientos distribuidos en toda la zona del acuífero, y aplicando la metodología planteada, que es una combinación de métodos geoestadísticos, se llegó al diseño de la red de monitoreo piezométrica óptima, integrada por tan solo 14 pozos los cuales permitieron obtener buenas estimaciones de los niveles de la carga hidráulica.

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Importancia de las redes de monitoreo óptimas en la gestión de acuíferos

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Las redes de monitoreo siempre han estado presentes en los acuíferos, porque son indispensables para conocer el comportamiento piezométrico, pero el diseño de redes de monitoreo óptimas, conlleva el uso de técnicas y enfoques geoestadísticos que nos ayudan a encontrar aquellos sitios óptimos que proporcionan valiosa información y mínima varianza.

La metodología que se mostrará para el diseño de la red de monitoreo óptima utiliza una combinación de métodos geoestadísticos, mediante los cuales se obtiene la matriz de covarianza de los datos de carga hidráulica (mediciones del nivel estático). Para ello se utiliza un filtro de Kalman que selecciona los puntos de muestreo con base en la reducción de la varianza, y en un método de optimización heurístico.

El monitoreo de aguas subterráneas puede ser entendido como un programa continuo, metodológico y técnico de observaciones estandarizadas, mediciones piezométricas y análisis fisicoquímicos y biológicos de las variables seleccionadas del agua subterránea.

Una de las actividades de las redes de monitoreo es colectar, procesar y evaluar la calidad y cantidad de los datos de agua subterránea como línea base para evaluar el estado actual y tendencias de predicción en las aguas subterráneas en el tiempo y en el espacio debido a procesos naturales e impactos humanos; otra actividad importante es proporcionar datos e información para la planeación, políticas y gestión de la protección y conservación de los recursos de aguas subterráneas; para hacer frente a los problemas de calidad y cantidad de las aguas subterráneas en relación con el desarrollo económico y social, necesidades ecológicas, así como para identificar oportunamente y prevenir impactos de desastres en las fuentes de agua subterránea.

Los objetivos de una red de monitoreo piezométrica y de calidad del agua son muy específicos, desde mejorar el conocimiento del modelo conceptual del sistema acuífero; conocer la evolución de los niveles piezométricos, determinar magnitud y dirección de los gradientes hidráulicos; conocer la calidad del agua subterránea; detectar posibles impactos poniendo de manifiesto anomalías piezométricas y/o eventos de contaminación en el entorno de las obras civiles proyectadas, en especial en las proximidades de zonas de interés natural y núcleos urbanos; llevar un seguimiento de impactos adversos como la sobreexplotación de acuíferos; y generar información representativa y confiable de la calidad y cantidad del agua, para una buena gestión del recurso hídrico.

El diseño de redes de monitoreo de agua consiste en la selección de sitios de monitoreo y la frecuencia del monitoreo. En el caso específico del agua subterránea, existen varios métodos para diseñar redes (Herrera, 2009), Figura 1: a) Métodos hidrogeológicos b) Métodos geoestadísticos c) Modelos estocásticos de flujo y transporte Las redes de monitoreo pueden funcionar como sistemas de alerta y prevención contra la sobreexplotación y contaminación de cuerpos de agua. Existen redes de monitoreo a corto, mediano y largo plazo. Por ejemplo, el monitoreo de niveles de agua subterránea por períodos largos de tiempo, permite estimar la disponibilidad del agua subterránea, así como conocer la evolución de los niveles.

DISEÑO DE REDES DE MONITOREO

REDES DE MONITOREO

Hidrogeológios

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Sitios en los que se diseña una red por primera vez.

Sitios en los que aún no se han presentado problemas de contaminación.

Geoestadísticos

Sitios en los que se espera que las condiciones cambien en forma paulatina.

Modelación

Sitios en los que se espera que las condiciones cambien en forma paulatina o en los que las condiciones cambiarían abruptamente y es necesaria la predicción.

Figura 1. Métodos para el diseño de redes de monitoreo.

Materiales y métodos Diseño de la red de monitoreo

Recopilación y análises del censo de aprovechamiento, piezometría y nivelación de brocales

Análisis geoestadístico

Los métodos de optimización para el diseño de redes de monitoreo son utilizados cuando la búsqueda manual de los mejores sitios es muy compleja, cuando el censo de aprovechamientos es muy grande y cuando los costos de medición de las variables son muy altos. Es necesario utilizar una metodología que consiste en tres sencillos pasos, Figura 2

Establecimiento de la red óptima de monitoreo Figura 2. Secuencia metodológica.

A continuación, se desarrolla la metodología con la aplicación de diseño en un acuífero del norte del país.

Análisis de la información

ANÁLISIS EXPLORATORIO

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

PREDICCIONES

El objetivo del análisis exploratorio es caracterizar a la muestra tratando de obtener la mayor información posible a partir de los datos disponibles, mediante la detección de valores atípicos, prueba de normalidad, análisis espacial y análisis de los estadísticos.

Es el proceso de estimación y modelación de la función que describe la correlación espacial. Su objetivo es caracterizar la estructura espacial de una variable regionalizada (V. R., es una variable aleatoria cuya realización depende de la posición). Una V. R. tiene cierta correlación punto a punto, pero estos cambios son tan complejos que no pueden ser descritos por una función determinística.

Para la predicción de valores en puntos no muestrales, se eligió la técnica de kriging ordinario (las medias locales no son necesariamente próximas de la media de la población, usándose apenas los puntos vecinos para la estimación).

Figura 3. Metodología de análisis geoestadístico.

Tabla 1. Registro histórico de la piezometría.

AÑO DE REGISTTRO

NÚMERO DE POZOS MEDIDOS

1982 1988 1999 2002 2004

50 46 52 89 84

Análisis geoestadístico El análisis geoestadístico consiste de tres pasos (Figura 3) que son: análisis exploratorio de los datos, análisis estructural y las predicciones (kriging o simulaciones).

Además, se realizó la validación cruzada que permite establecer si el modelo del semivariograma obtenido es representativo de la variabilidad espacial de los datos. El método consiste en sacar un elemento de la muestra y estimar el valor en ese punto con kriging ordinario empleando el modelo de semivariograma obtenido.

REDES DE MONITOREO

La recopilación y análisis de estudios técnicos realizados permitió obtener información del censo de aprovechamientos del 2002 que fue de 986 y la información histórica de las mediciones piezométricas en 89 pozos (MORO, 2004). Para este acuífero se contó con muy poca información disponible y dado que no se tenía el censo actualizado se optó por utilizar la piezometría del año 2004 (Tabla 1), para el análisis geoestadístico, tomando estos datos como la red piloto que sirvió de base para el diseño de la red óptima.

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Análisis y discusión de resultados Establecimiento de la red de monitoreo La red piloto inicial quedó integrada por 84 aprovechamientos distribuidos en la zona de estudio. Su distribución espacial se puede observar en la Figura 4.

Se detectaron 6 valores atípicos distribucionales (símbolo en color rojo, localizados en la parte sur del acuífero), quedando solamente 78 sitios de la red inicial, a estos datos se les aplicó el análisis estructural, el modelo que mejor se ajustó a los datos fue un modelo esférico con pepita o nugget (Figura 5). En la Tabla 2 se muestran los valores de los parámetros del modelo obtenido y del criterio de información de Akaike, este último es una medida de la bondad de ajuste del modelo y la complejidad del modelo.

REDES DE MONITOREO

Figura 4. Distribución espacial de los aprovechamientos.

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Figura 5. Semivariograma con ajuste de modelos esférico.

Tabla 2. Modelación de la función correlación espacial de la carga hidráulica.

MODELO

PEPITA

MESETA

ALCANCE

CRITERIO DE AKAIKE

Esférico

0.0

0.000182

20500

-1629.17

Tabla 3. Estadísticos de las alternativas de la red de monitoreo óptima.

KRIGING ORDINARIO

CARGA HIDRAÚLICA CON 14POZOS

CARGA HIDRAÚLICA CON 25 POZOS

1342.13 1420.63 125.80 0.008 0.69 11.21

1350.10 1416.01 79.06 0.006 0.69 8.89

1350.02 1415.82 84.41 0.007 0.75 9.19

Figura 6. Varianza relativa de los pozos.

Valor estimado mínimo Valor estimado máximo Varianza Coeficiente de variación Coeficiente de asimetría Desviación estándar

CARGA HIDRAÚLICA CON 78 POZOS

Al iniciar el análisis exploratorio se tenían 84 sitios de medición (IMTA, 2007), mediante la metodología y técnicas geoestadísticas aplicadas se logra el diseño de una red de monitoreo óptima de 14 sitios que proporcionan suficiente información para realizar una buena estimación de las mediciones del nivel estático del acuífero.

En la Figura 7 se muestra la distribución uniforme de la red de monitoreo óptima y en la Tabla 4, se presenta la relación de pozos verificados en campo.

Figura 7. Red de monitoreo óptima.

REDES DE MONITOREO

En la Figura 6, se muestra la gráfica de la reducción relativa de la varianza total. En esta gráfica se determinó el punto en el que se presenta el valor mínimo de la función como el número posible de pozos a incluir en la red de monitoreo. Como se aprecia en la Figura 6 y en la Tabla 1 pueden ser dos alternativas una de 14 y otra de 25 pozos que conformen la red de monitoreo

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Tabla 4. Verificación de pozos que conforman la red de monitoreo óptima.

NÚM. EN RED

NÚM. EN CAMPO

LONGITUD (UTM)

LATITUD (UTM)

BROCAL (m)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

379 487 105 86 75 332 294 152 573 46 8 166A 143A 17

769383 759615 749211 738849 728940 757597 753306 737585 718777 712390 719627 749315 735280 729816

3418207 3426449 3437217 3449933 3461702 3418353 3406519 3413085 3410692 3417935 3422856 3420459 3421144 3430495

1365 1378 1401 1380 1451 1392 1436 1428 1434 1450 1409 1393 1401 1398

PNE (m)

ENE (m)

FECHA

OBSERVACIONES

14.83 16.25 42.80 20.17 89.49 43.12 23.91 35.23 28.40 38.25 62.91 51.97 23.21 34.54

1350.17 1361.75 1358.20 1359.83 1361.51 1348.88 1412.09 1392.77 1405.60 1411.75 1346.09 1341.03 1377.79 1363.46

22/11/2006 22/11/2006 22/11/2006 22/11/2006 22/11/2006 23/11/2006 23/11/2006 23/11/2006 23/11/2006 23/11/2006 23/11/2006 24/11/2006 24/11/2006 24/11/2006

Pozo La Búfala Sector Chapana 1 Después del rancho de José Luis Bustillos Delgado Cerca del Km. 45 ctra.Janos Agua Prieta Papalote junto al rancho El Berrendo Sector de los Cuevas Rancho Agua Blanca Hilario Gabilondo Terrazas Nivel Dinámico Pozo 2 Rancho Sierra de Enmedio

REDES DE MONITOREO

En la Figura 8 y la Figura 9 se realiza el comparativo de los contornos de la piezometría generados mediante los datos de la red piloto y los contornos que resultan utilizando la red de monitoreo óptima con tan solo 14 pozos. Se concluye que la red de monitoreo óptima representa en muy buena medida el comportamiento de los niveles piezométricos en el acuífero, la implementación de dicha red nos genera reducción en los costos de monitoreo, en las campañas de medición se pueden reducir los tiempos en la obtención de datos en una red pequeña.

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Valores estimados del nivel estático red piloto inicial

Valores estimados del nivel estático red de monitoreo óptima

Figura 8. Piezometría con 78 pozos.

Figura 9. Piezometría con 14 pozos.

Conclusiones Con base en la información disponible de geología, piezometría y topografía, fue posible definir la zona de relleno geológico que forma el acuífero, y su red piloto de monitoreo. La red de monitoreo óptima que se diseñó quedó integrada por 14 pozos, los cuales quedaron bien distribuidos en todo el valle del acuífero. Se optimizó a tan solo 14 pozos dado que financieramente es más económica realizar la medición piezométrica, reduciendo de manera importante los gastos hasta en un 85% en las campañas de medición.

Realizar mediciones piezométricas al menos dos veces al año sobre la red de monitoreo recomendada, lo cual podría efectuarse al final de la temporada de secas y de lluvias.

Conservar una red óptima de monitoreo que sea plenamente representativa desde el punto de vista estadístico para la evaluación de la calidad y cantidad del agua subterránea. Por lo cual habrá que realizar rediseños de la red espacialmente adecuándola a las necesidades del objetivo de la red, la cual evoluciona junto con factores socioeconómicos, como lo son el incremento poblacional y el cambio de uso de suelo.

Janos, Chihuahua.

Herrera Zamarrón, Graciela 2009. Modelación matemática y computacional aplicada al diseño óptimo de redes de monitoreo del agua subterránea. Instituto de geofísica, UNAM. México.

IMTA 2007. Establecer la red de monitoreo piezométrico y delimitar el acuífero de Janos, Chihuahua. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Jiutepec, Morelos, México. 88 p.

MORO INGENIERÍA S. C. 2004. Actualización piezométrica de los acuíferos denominados: Janos, Buenaventura y Tabalaopa, Chihuahua.

Para la Gerencia Regional Río Bravo. México.

40 p.

REDES DE MONITOREO

Referencias bibliográficas

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Revista de divulgación científica