II SEMINARIO-TALLER. PROTECCIÓN DE
ACUÍFEROS FRENTE A LA CONTAMINACIÓN: CARACTERIZACIÓN Y
EVALUACIÓN.
Ciudad de La Habana, Cuba. Abril 2002
USO
DEL SIG PARA LA DETERMINACIÓN DE PARAMETROS UTILIZADOS EN LA
CONSTRUCCIÓN DE MAPAS DE VULNERABILIDAD.
EJEMPLO:
MÉTODOS DE INTERPOLACIÓN CON SISTEMAS DE INFORMACIÓN
GEOGRÁFICA (SIG) PARA CARTOGRAFÍA DE LA PROFUNDIDAD DEL NIVEL
PIEZOMÉTRICO.
Por: Esteller,M.V; Quentin,E y Díaz-Delgado,C.
Centro
Interamericano de Recursos del Agua – Facultad de
Ingeniería
Universidad Autónoma del Estado de México
Cerro Coatepec S/N C.U. 50130
Toluca (Edo. de México) Mexico
Telf: (52)
722 2965550
Fax: (52) 722 2965551
Email: esteller@uaemex.mx, equentin@uaemex.mx
(Mexico)
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, existen diversas herramientas
computacionales que contribuyen en la realización de
estudios sobre el manejo integrado de los recursos naturales;
entre estas herramientas destacan los Sistemas de
Información Geográfica (SIG), los cuales permiten analizar
la variabilidad espacial y temporal de los diferentes datos
que conforman la información necesaria para llevar a cabo
estudios de esta naturaleza.
En el caso
concreto de los estudios hidrogeologicos, el uso del SIG es
bastante reciente, y su empleo se ha impuesto a medida que se
han conocido sus ventajas. El SIG permite el almacenamiento,
manejo, procesamiento y análisis de los diferentes tipos de
datos que se utilizan en estos estudios hidrogeológicos,
además facilita la elaboración de mapas temáticos para
cada uno de los atributos que se definan en la base de datos
así como el análisis y procesamiento de los datos de
entrada y salida de modelos matemáticos de simulación (Gogu
et al, 2001; Barazzuoli et al, 1999).
Una de las aplicaciones más extendidas es su
utilización como herramienta para la elaboración de mapas
de vulnerabilidad de acuíferos utilizando para ello, sobre
todo, el método DRASTIC (Fritch et al., 2000 a,b, Franco,
2002). La metodología DRASTIC es un sistema
paramétrico de evaluación que incluye siete parámetros
fundamentales:
D - Profundidad al acuífero (Depth to
water),
R - Recarga neta (Net Recharge),
A - Litología del acuífero (Aquifer
media),
S - Tipo de suelo (Soil media),
T - Topografía, Pendiente (Topography),
I - Litología de la zona no saturada
(Impact of the Vadose Zone Media) y
C - Conductividad hidráulica
(Conductivity of the aquifer).
Generalmente, de estos parámetros sólo se disponen
de valores puntuales por lo que para la obtención de valores
en toda la región es necesario el uso de los métodos de
interpolación. El SIG dispone de varios métodos de
interpolación que pueden ser utilizados para la elaboración
de mapas temáticos como es el de la profundidad del nivel
piezométrico, evitando así problemas de importación /
exportación de datos entre sistemas diferentes.
Por otra parte, la estructura de los datos
espaciales en capas correspondiendo a varios temas y la
sobreposición de estas coberturas con operadores lógicos y
algebraicos facilitan la generación de mapas que combinan
varios de estos temas, lo cual facilita la elaboración de
mapas de vulnerabilidad de acuíferos.
El objetivo de este trabajo es llevar a cabo un análisis de
los diferentes métodos de interpolación existentes en un
SIG para conocer cuales son sus ventajas e inconvenientes,
así como su facilidad de manejo y grado de precisión.
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL ÁREA DE
ESTUDIO
El área de
estudio se encuentra en la porción central de la República
Mexicana y más concretamente en zona central del Estado de
México, siendo uno de los valles de mayor elevación del
altiplano mexicano (Figura 1). El Valle de Toluca
queda enmarcado dentro del Curso Alto del Río Lerma que
comprende la vertiente norte de la Sierra
Nahuatlaca?Matlazinca, así como la vertiente nororiental del
Nevado de Toluca (4 690 msnm). El Valle de Toluca tiene una
elevación media de 2 570 msnm hasta la presa José Antonio
Alzate. Aproximadamente, a 9 km aguas debajo de la presa, y a
una altitud de 2 570 msnm, termina el Curso Alto del Río
Lerma, al descender el escalonamiento tectónico del Valle de
Atlacomulco?Ixtlahuaca formado por el bloque y sistemas de
fallas de Perales.
Figura 1
Localización geográfica de la región Curso Alto del río Lerma
El Valle de
Toluca tiene una extensión entorno a los 700 km2, con un eje
mayor orientado de norte a sur con una longitud de casi 35 km
y un eje menor orientado de este a oeste, con 20 km de
longitud, aproximadamente. Sus limites son al norte, el
volcán La Guadalupana, el Cerro El Aguila y la Sierra Monte
Alto, al sur el volcán Tenango y el volcán Zempoala, al
este la Sierra de Las Cruces y Las Iglesias y al oeste el
volcán Nevado de Toluca y la Sierra Morelos.
La secuencia
litológica está constituida por varios tipos de rocas
volcánicas del Terciario, fundamentalmente basaltos y
andesitas, así como materiales piroclásticos y brechas, los
cuales afloran en las sierras que circundan el valle (Figura
2). En el valle, se identifican sedimentos lacustres y
aluviales que se encuentran intercalados con materiales
clásticos de origen volcánico. A estos depósitos se les
asigna una edad correspondiente al Plioceno Tardío –
Cuaternario (Honorio y Hernández, 1982 y Herrera y
Sánchez, 1994).
Sobre la base de
estas características se puede señalar que este sistema
está formado por varios niveles acuíferos superpuestos que
constituyen un acuífero multicapa, pero la existencia de
cierta continuidad hidráulica permiten considerar un sistema
de flujo único. No obstante, existen diferencias
significativas de carga hidráulica (Unitecnica, 1996).
Figura 1 Mapa
geológico del Valle de Toluca y áreas adyacentes
Los parámetros
hidráulicos del acuífero del Valle de Toluca abarcan un
amplio rango debido a la variabilidad litológica y
geométrica de los depósitos. De todos modos se pueden
diferenciar zonas en función de la transmisividad: la zona
correspondiente al pie de monte de la Sierra de Las Cruces
(NE), con valores que alcanzan hasta los 13 000 m2/día, el
sector de Lerma con una transmisividad media de 950 m2/día,
el área de Almoloya del Río (SE) con valores en torno a 22
000 m2/día y la parte central con una transmisividad que
varía entre 90 y 400 m2/día. El coeficiente de
almacenamiento varía entre 0.3 y 0.9% (CCRECRL, 1993).
En el informe
elaborado para la Comisión Coordinadora para la
Recuperación Ecológica de la Cuenca del Río Lerma
(CCRECRL, 1993) se realizó un balance hidráulico para el
acuífero pero no se indica a que periodo de tiempo
corresponde. Las entradas totales se cuantificaron en 380
Hm3/año, de los cuales 101 Hm3/año proviene de la
alimentación lateral desde el Nevado de Toluca, 198 Hm3/año
por alimentación lateral desde la Sierra de Las Cruces y 81
por infiltración directa del agua de lluvia. Las salidas se
valoraron en 385 Hm3/año, estas salidas se producen por
descargas subterráneas hacia el valle de
Ixtlahuaca?Atlacomulco con un valor de 2 Hm3/año y por
bombeo, el cual se cuantifico en 383 Hm3/año. De este
volumen total extraído, 163 Hm3/año se utilizan en el mimo
Valle de Toluca, los cuales se reparten en un 79% para
abastecimiento urbano, 12.9% para uso industrial y 8.1%
dedicado a las actividades agropecuarias. Por otra parte, la
ciudad de México recibe de este acuífero 220 Hm3/año para
cubrir sus necesidades de agua potable.
El balance
global del acuífero indica un desequilibrio entre entradas y
salidas, ya que las salidas son superiores a las entradas en
5 Hm3/año, este desequilibrio mantenido durante años ha
provocado efectos negativos de diversa índole como son
subsidencia, desecación de humedales y manantiales y
disminución de caudales en ríos (Esteller y Díaz-Delgado,
2002). En la actualidad el acuífero del Valle de Toluca
está sometido a veda, lo cual implica que no se pueden
construir nuevas captaciones.
En este valle
existe una alta densidad de población propiciada por el
asentamiento de grandes zonas industriales, lo cual a su vez
ha provocado la generación de grandes volúmenes de
residuos. Además, se trata de un área agrícola, lo cual
implica el uso de fertilizantes y plaguicidas. Ante esta
problemática cabe suponer que el acuífero pueda estar
sometido a procesos de contaminación.
CARTOGRAFÍA DE
LA PROFUNDIDAD DEL NIVEL PIEZOMÉTRICO
En la zona de
estudio considerada, se dispone de las lecturas de
profundidad de nivel piezométrico correspondientes al año
de 1996 (ultimo año con información) para 40 piezómetros,
los cuales están localizados a una profundidad comprendida
entre 75 y 200 metros (Tabla 1), profundidad a la cual
se encuentran la mayor parte de los pozos de explotación que
existen en el acuífero. Estos piezómetros están
distribuidos por todo el Valle de Toluca (Figura 3).
Figura 3.
Localización de los piezómetros del acuífero del Valle de
Toluca.
Tabla
1 Piezómetros considerados en el estudio de
interpolación
(en gris, los puntos para cálculo de error de interpolación)
En la Tabla 2 se presenta una breve
descripción de los diferentes métodos de interpolación que
se pueden emplear, así como cuales son los datos de entrada
necesarios para llevar a cabo la aplicación de estos
métodos. Algunos de estos métodos están incluidos en
paquetes computacionales utilizados para la elaboración de
mapas, como es el caso del SURFER, pero en los SIG la
mayoría de estos métodos están integrados, tal es el caso
de los paquetes IDRISI y ARCVIEW (Tabla 3). En la esta misma
tabla también se especifican cuales son las ventajas e
inconvenientes de estos métodos.
Tabla
2 Métodos de interpolación existentes
Tabla
3 Métodos de interpolación incluidos en
diferentes paquetes computacionales
En el presenta caso, los métodos de interpolación
aplicados han sido el INTERPOL, TIN, KRIGING (el ajuste
utilizado para el método de KRIGING fue el denominado
lineal, pero se podría mejorar utilizando modelos esféricos
o gausianos entre otros. La ecuación utilizada en este caso
según la sintaxis del paquete empleado es la siguiente:
variogram(var1): 0 Nug(0) + 0.04 Lin(0).) y TREN, utilizando
para ello el paquete IDRISI.
Para
llevar a cabo el estudio de interpolación se eligieron 30
puntos de la red piezométrica para elaborar los mapas de
profundidad del nivel piezométrico excluyéndose 10 de ellos
(25%) al azar. Una vez elaborado el mapa correspondiente a
cada uno de los métodos de interpolación escogidos (Figura
4), se determino el valor de la profundidad del nivel
piezométrico en los puntos correspondiente a los 10
piezómetros excluidos, para de este modo comparar la lectura
real (medida en el campo), con el valor obtenido con el mapa,
de este forma se pudo determinar, para cada método, cual era
la diferencia entre estos dos valores en cada uno de los
piezómetros seleccionados. En la tabla 5 se presentan las
medidas reales observadas y las obtenidas en cada uno de los
métodos.
Figura 4.
Mapas de profundidad del nivel piezométrico para el acuífero
del valle de Toluca, obtenidos utilizando diversos métodos de
interpolación
Para comprar los diversos
métodos de interpolación, se utilizó la raíz cuadrada del
error cuadrado medio .que corresponde al error medio
cuadrático (RMS, Root Mean Square error) es una medida de la
variabilidad de las mediciones con relación a sus valores
reales. El error RMS se estima a partir de una muestra de
mediciones, que se compara con sus valores reales
correspondientes. Las diferencias entre ambos datos se elevan
al cuadrado y se suman. A continuación, la suma se divide
por el número de mediciones para obtener un error cuadrado
medio. La raíz cuadrada del error cuadrado medio permite
calcular la medida del error medio cuadrático en las mismas
unidades que las observaciones originales. El error RMS es
directamente comparable al concepto de desviación estándar.
Los valores obtenidos del RMS absoluto se presentan en la
Tabla 4.
Tabla
4 Valores de profundidad del nivel
piezométrico observados y calculados, con la cuantificación del
error obtenido
.
Como se puede apreciar los
valores obtenidos de RMS son muy parecidos para todos los
métodos utilizados, obteniendo el valor más bajo para el
método Kriging mientras que el máximo error se obtuvo en el
caso del TREND de tipo lineal.
CONCLUSIONES
La comparación de los métodos de interpolación
lleva a la conclusión, en el caso estudiado, que el método
de Kriging lineal genera los mejores resultados, es decir los
más próximos a las observaciones reales. Este método tiene
también la ventaja de presentar una imagen de varianza dando
así una estimación del error espacialmente.
Finalmente, este estudio permitió
poner en evidencia varias ventajas del uso de los SIG en
estudios sobre subterráneas :
La integración SIG facilita el procesamiento de
la información pues todas las operaciones se pueden
realizar dentro del SIG sin importar o exportar.
Tradicionalmente se suele representar estos
tipos de datos de forma vectorial con isolíneas por
conveniencia, pero los formatos matriciales de los SIG
dan una representación de superficies continuas más
completa y más congruente con el comportamiento del
fenómeno.
La automatización dentro de los SIG, por medio
de macro?comandos o programación, facilita repetir una
misma secuencia de operaciones para datos de otra
región, para varias capas subterráneas, o para fechas
diferentes.
La comparación de diferentes métodos permite
escoger, dentro de los que generan resultados más
reales, el más sencillo.
Hay posibilidad de unir otras capas a una capa
inicial para mejorar la interpolación (por ejemplo, la
transmisividad está influenciada por la geología);
también la sobreposición de varios datos facilitan el
análisi de los resultados.
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