I SEMINARIO-TALLER. PROTECCIÓN DE
ACUÍFEROS FRENTE A LA CONTAMINACIÓN: METOLODOGÍA.
Toluca, México. 20-22 de
Junio de 2001
DELIMITACIÓN
DE ACUÍFEROS KARSTICOS
 Por: |
|
Julia
Pacheco Avila (1,2)
Lorena
Calderón Rocher
(1)
Armando
Cabrera Sansores (1) |
1.-Universidad
Autónoma de Yucatán. Facultad de Ingeniería.
Av. Industrias no contaminantes por Anillo Periférico Norte,
Mérida, Yucatán, México.
2.-Universidad Nacional de México. Instituto de Geofísica.
Circuito Exterior, Ciudad Universitaria CP. 65410
México, D.F.
(Mexico)
RESUMEN
El único medio de abastecimiento de agua para la
Península de Yucatán, es la extracción del agua
subterránea y el principal campo de pozos para el
abastecimiento de agua potable en la ciudad de Mérida, es la
planta Mérida I, localizada al sur de la ciudad con un total
de 25 pozos de extracción con una profundidad de 40 metros.
Las características cársticas de la Península de
Yucatán, la catalogan como un acuífero muy vulnerable, ya
que las fracturas, canales de disolución y la presencia de
cavernas, permiten una rápida infiltración de los elementos
contaminantes que se encuentran en la superficie del terreno.
En los alrededores de la planta Mérida I, el uso del suelo
es principalmente agrícola y pecuario, por lo que el uso no
controlado de agroquímicos y la disposición inadecuada de
los desechos pecuarios son los potenciales orígenes de la
contaminación del agua subterránea.
Como parámetros representativos de la
contaminación, se consideraron los nitratos y los coliformes
fecales; también, se determinaron las direcciones
preferenciales del flujo subterráneo en el área de estudio,
mediante la elaboración de un plano topográfico y las
mediciones de profundidad al nivel freático realizadas en
diferentes fechas durante 18 meses; por último, las áreas
de influencia de los pozos de la planta Mérida I, calculadas
por medio del programa Wellhead Protection Area, para un
período de un año, en función de los valores máximo y
mínimo reportados para la conductividad hidráulica fueron
de 4375 m y de 807 m, respectivamente.
La delimitación de una zona de protección para el
campo de pozos de extracción de la planta Mérida I, tiene
la función de preservar la calidad del agua subterránea que
se utiliza para consumo humano y la delimitación de esta
zona aunada a un Programa de manejo, se sugiere como una
opción para proteger la única fuente de abastecimiento para
la ciudad de Mérida, Yucatán en México.
ABSTRACT
Groundwater is the only source of potable water in
Yucatan Peninsula. The main field wells for Merida Yucatan
City, is located in the southern part of the city, it has 25
deep wells which are 40 meters deep. This field wells is
named Merida I.
The karstic characteristics of the Yucatan
Peninsula, are the responsible for the vulnerable conditions
of the aquifer, due to presence of fractures, caverns and
dissolution channels that permit the rapid infiltration of
rainwater and all contaminants over the land surface. Around
Merida I, the land use is mainly for agricultural and animal
farm activities. In this activities, is common the use of
agrochemicals and the inadequate disposal of solid and liquid
wastes, which can be two important sources for groundwater
contamination.
Nitrate and fecal coliforms were considered
representative of contaminated groundwater. The preferential
groundwater flow in the study area was determined by the
topographic map and the phreatic level values measured for a
dry and rainy periods.
Wellhead Protection Areas Program from the
Environmental Protection Agency was used to determine the
delimitation areas for Merida I field wells. These areas were
calculated for 1 year and for the maximum and minimum values
for hydraulic gradient, in order to know the worst case for
public safety. These values were 4375 and 807 meters for
0.00015 and 0.00003 km/km hydraulic gradient values,
respectively.
The hydrogeological zone reserve delimitation is
very important in order to preserve the groundwater quality
for human use and consumption. The regulations of a
Management Plan for this zone, would protect the only source
of potable water for Merida Yucatan, Mexico.
1.- INTRODUCCIÓN
La ciudad de Mérida, cuenta con un sistema de
abastecimiento de agua potable totalmente dependiente del
agua subterránea, debido a la falta de corrientes
superficiales. Sin tener fuentes alternativas, la pérdida de
pozos de abastecimiento por la contaminación, podría
acarrear un impacto inmediato a la economía y bienestar
social; además de que, los contaminantes no detectados a
tiempo, representan un problema de salud pública.
El agua subterránea que sirve de abastecimiento
para la ciudad de Mérida, se extrae de diferentes campos de
pozos que se encuentran alrededor y dentro de los límites de
la ciudad. Actualmente, la ciudad dispone para su
abastecimiento de tres campos de pozos, la Mérida I, la
Mérida II y la Mérida III, además de algunos otros pozos
individuales localizados en la periferia de la ciudad. La
principal zona de extracción del agua subterránea con fines
de abastecimiento es la planta Mérida I, de la cual de
extraen 42.3 MM3 al año, cantidad que representa el 47.8% de
la extracción total (BGS, FIUADY, CNA, 1995).
Miller (1996), realizó un trabajo comparativo
acerca de la vulnerabilidad a la contaminación del agua
subterránea y su protección, entre los acuíferos de
Florida y Yucatán. Los resultados de su estudio, los mostró
por medio de la aplicación del modelo semi-analítico de
computadora denominado Wellhead Protection Area (WHPA, 1993).
Asimismo, se han propuesto algunos planes de acción
para establecer una zona de reserva hidrogeológica para el
acuífero de Yucatán, basados en las Leyes y Regulaciones de
Aguas Nacionales. En este trabajo, se menciona que la
Comisión Nacional del Agua, establecida en 1989 como el
organismo federal responsable de la administración del uso
del agua en México, divide al país en 23 Consejos de
Cuencas, de las cuales, la denominada Cuenca XXIII
correspondiente a la Península de Yucatán, es considerada
como altamente vulnerable y su manejo debe de ser cuidadoso
(CNA, 1997).
El objetivo de este trabajo, es la delimitación de
una zona de reserva hidrogeológica en el principal campo de
pozos de extracción para el agua potable abastecida en la
ciudad de Mérida (Mérida I), mediante la utilización de
los nitratos y los organismos coliformes fecales como
indicadores de contaminación y de las direcciones
preferenciales del agua subterránea en el área de estudio.
2.- ÁREA DE ESTUDIO
2.1.- Niveles Estáticos
El área de estudio se localiza entre las carreteras
Mérida – Timucuy y Mérida – Tzacalá, a 25 km del
Anillo Periférico, al sur de la ciudad de Mérida, alrededor
del campo de pozos de extracción de la planta Mérida I
(Figura 1). La ubicación geográfica es entre los paralelos
20º 45' y 20º 46' de latitud norte y entre los meridianos
89º 30' y 89º 40' de longitud oeste respecto al Meridiano
de Greenwich, a una altitud promedio de 9 msnm, cubriendo
aproximadamente un área de 370 km2 (Escalante, 2000).
2.2.- Climatología
El clima es cálido subhúmedo, con una temperatura
media anual de 26ºC, con una máxima promedio de 40ºC en
los meses de Mayo a Agosto y de 10ºC en los meses de
Diciembre y enero, considerados como los más fríos (CNA,
2000). La cantidad de precipitación pluvial en esta área,
varía de 470 a 930 mm anuales, con régimen de lluvias de
Mayo a Octubre, correspondiendo a los meses de Noviembre a
Abril, el período de menor precipitación pluvial (INEGI,
1992).
2.3.- Hidrogeología
En el área, existe una carstificación masiva que
conlleva a la falta de corrientes superficiales debido al
desarrollo de fracturas y canales de disolución; la ausencia
de la cubierta de suelo y los volúmenes de precipitación,
dan lugar a una rápida infiltración, propiciando el
arrastre de los contaminantes hacia el acuífero (BGS,
FIUADY, CNA, 1995).
2.4.- Usos del suelo
Las actividades agrícolas y pecuarias son
predominantes en el área, aunque se dedican en menor
proporción a la apicultura. En la agricultura, se cultivan
principalmente los cítricos, jitomates y henequén; y la
actividad pecuaria se refiere principalmente a la cría y
explotación de ganado bovino, porcino, ovinos y aves. Cabe
mencionar, que en algunos lugares se tienen fábricas de
materiales para la construcción y bancos de explotación de
material (Pacheco, 2000).
Figura 1a y 1b: Localización del área de estudio y
ubicación de los pozos de monitoreo
3.- METODOLOGÍA
3.1.- Determinación del área de
estudio
Se seleccionó un área de aproximadamente 10
kilómetros alrededor de la planta Mérida I, la cual
abastece a la mayor parte de la población de la ciudad de
Mérida, Yucatán. En esta área, se censaron mediante
reconocimientos de campo 42 pozos entre someros y profundos
(Figura 1), en los cuales, se llevará a cabo el muestreo
general, en el que se medirán las profundidades al nivel
freático y las características de calidad química y
bacteriológica; considerando para la primera, la
concentración de los nitratos y para la segunda, el número
de organismos coliformes fecales.
3.2.- Selección
de pozos para el muestreo sistemático.
A partir de la realización el muestreo general, se
descartó algunos pozos debido principalmente a la dificultad
de acceso, al abandono y a la presencia de agentes externos,
tales como basura y aceite.
3.3.- Determinación
de la dirección preferencial del flujo subterráneo.
Para esto, se llevó a cabo la nivelación
topográfica del área de estudio mediante un distanciómetro
electrónico, con mediciones de un error máximo de 3 mm,
utilizando como bancos de nivel los más cercanos al área,
los cuales fueron proporcionados por el INEGI.
Asimismo, se realizaron mediciones de las
profundidades al nivel freático con un piezómetro
electrónico, indicando si la medición fue hecha en
régimen estático o dinámico. Para el caso de los pozos de
extracción de la planta Mérida I, cabe mencionar que no en
todos los pozos se hicieron estas mediciones, debido a que no
se tenían los pozos de muestreo piezométrico o a la
presencia de aceite, y desde luego, todos los niveles medidos
fueron dinámicos.
3.4.- Obtención
de los potenciales
Se obtuvieron a partir de la diferencia de la cota
del nivel topográfico y la lectura del nivel piezométrico
en régimen estático.
3.5.- Calidad
del agua subterránea en los pozos muestreados.
3.4.1. Nitratos. Se utilizó la técnica de
espectrofotometría de luz ultravioleta. La concentración de
nitratos en una muestra de agua se determina midiendo la
absorbancia o transmitancia en el ámbito ultravioleta a 220
nm y comparando las lecturas con las obtenidas de una curva
de calibración (APHA, AWWA, WEF, 1992).
3.4.2. Coliformes fecales.
Los análisis bacteriológicos se realizaron por medio del
filtro de membrana en una incubadora portátil. El volumen de
la muestra de agua, varió en función de su profundidad, ya
que la mayoría de los pozos someros tienen una
concentración de organismos coliformes fecales mayor que la
encontrada para pozos profundos.
3.6.- Delimitación
de la zona de reserva hidrogeológica.
Se utilizó el programa
computacional de la Environmental Protection Agency (EPA)
denominado Wellhead Protection Area (WHPA), el cual es un
programa semi – analítico de simulación del flujo del
agua subterránea y es usado para la delineación de las
zonas de captación en un área de protección para campos de
pozos. Se puede aplicar para evaluar múltiples tipos de
acuíferos (confinados, semi-confinados y libres).
El modelo es capaz de simular
barreras o condiciones de líneas de corriente que existan en
toda la profundidad del acuífero. El WHPA se puede
representar para múltiples pozos de bombeo y de inyección y
puede evaluar cuantitativamente los efectos de la entrada de
parámetros de incertidumbre en la delineación de la zona de
captación. El programa consiste de cuatro módulos (RESSQC,
MWCAP, GPTRAC, MONTEC), para nuestro caso, se utilizará el
módulo GPTRAC debido a que es el aplicable según las
características del acuífero de Yucatán.
4.- RESULTADOS Y
DISCUSIONES
4.1.- Dirección
preferencial del flujo subterráneo.
Se tuvieron dos direcciones preferenciales del flujo
en el área de estudio; la primera, de SW – NE en época
de estiaje y la segunda, de SE – NW en época de lluvias
(Figura 2 ).
Se observó que para algunos pozos someros, se
reportaron niveles bajos en casi todos las mediciones, lo que
podría deberse a la localización del pozo en una zona
de material poco permeable, ya que tarda en recuperarse;
además de que cerca de estos pozos, puede encontrarse un
pozo de extracción que lo afecte de manera directa.
Asimismo, algunos pozos mostraron comportamientos anómalos
debido a afectaciones puntuales y temporales, como el hecho
de que al llegar y hacer la medición, el pozo aún se estaba
recuperando de algún tiempo de extracción.
4.2.- Calidad
química del agua.
Se observó que el agua proveniente de la mayoría
de los pozos, cumple con el valor establecido por la Norma
Oficial Mexicana (NOM-127-SSA1-1994) en cuanto a la
concentración de nitratos, presentándose las mayores
concentraciones en las aguas a nivel freático durante la
temporada de estiaje y las más bajas en los pozos de
extracción de agua de la planta Mérida. Sin embargo,
nuestro interés se centra en las concentraciones máximas
que se obtuvieron en el área de estudio (Figura 3).
4.3.- Calidad
bacteriológica del agua
En el área de estudio, existe contaminación fecal
en pozos someros y en algunos pozos profundos de las
poblaciones ubicadas alrededor de la planta Mérida I, esto,
antes de pasar por los sistemas de cloración. Comparando las
temporadas de estiaje y lluvias, se notó un incremento de
las Unidades Formadoras de Colonias (UFC), debido al arrastre
de materia contaminada al acuífero (Figura 4).
Figura 2a y 2b: Dirección preferencial del flujo
subterráneo en estiaje y lluvia.
Figura 3a y 3b: Isoconcentraciones
de nitratos (mg/l) para pozos profundos en estiaje y lluvia.
Figura 4a y 4b: Isoniveles de Coliformes Fecales en
pozos profundos en estiaje y lluvia.
4.4.- Delimitación
de la zona de reserva hidrogeológica.
Para aplicar el programa de la Environmental
Protection Agency, el Wellhead Protection Area, se requiere
la siguiente información:
Tabla 1: Unidades
usadas para la implementación del Programa WHPA
| Variable |
Descripción
|
| Tipo de acuífero |
Libre |
| Unidades |
Metros y días |
| Número de pozos de extracción |
25 |
| Número de pozos de inyección |
0 |
| Coordenada mínima en X del área de
estudio |
M |
| Coordenada máxima en X del área de
estudio |
M |
| Coordenada mínima en Y del área de
estudio |
M |
| Coordenada máxima en Y del área de
estudio |
M |
| Transmisividad del acuífero |
m2 / d |
| Gradiente hidráulico regional |
m / m |
| Angulo del flujo del agua subterránea
|
0 – 360º |
| Porosidad del acuífero |
Adimensional |
| Espesor saturado del acuífero |
M |
| Tasa de recarga |
m / d |
| Período de tiempo para ejecutar el
WHPA |
Días |
Tabla 2:
Unidades para cada pozo de extracción:
| Variable |
Descripción |
| Coordenada en X del pozo |
M |
| Coordenada en Y del pozo |
M |
| Tasa de recarga del pozo |
m3 / d |
Tabla 3: Gasto el lps de los pozos de extracción de la
planta Mérida I
| Pozo |
Gasto (lps) |
Pozo |
Gasto (lps) |
Pozo |
Gasto (lps) |
| 1 |
55 |
9 |
55 |
17 |
60 |
| 2 |
55 |
10 |
55 |
18 |
70 |
| 2-A |
55 |
11 |
80 |
19 |
70 |
| 3 |
55 |
11-A |
55 |
20 |
55 |
| 4 |
55 |
12 |
55 |
21 |
55 |
| 5 |
55 |
13 |
55 |
22 |
55 |
| 6 |
55 |
14 |
55 |
25 |
80 |
| 7 |
70 |
15 |
75 |
|
|
| 8 |
55 |
16 |
55 |
|
|
Fuente:
JAPAY (2000). Comm. Pers. Ing. Espejo.
Los valores reportados para las características
hidrogeológicas del acuífero, no son homogéneos debido a
la naturaleza cárstica del medio. Por lo que para
implementar el programa, se realizaron varias pruebas, las
que mostraron que el gradiente hidráulico fue la única
característica a la que el Programa se mostró sensible; por
lo tanto, se realizaron de manera formal dos pruebas con
valores que han sido usados en trabajos previos, variando
únicamente los valores para el gradiente hidráulico. Los
ángulos de flujo se determinaron de los gráficos obtenidos
en el SURFER para los potenciales hidráulicos, tanto en
sequía como en lluvia.
Tabla 4: Parámetros de ingreso al Programa WHPA, para
cada una de las pruebas 1.
| Parámetro |
Valor |
| Transmisividad |
800000 m2/d |
| Porosidad |
20% |
| Espesor saturado |
50 metros |
| Gradiente hidráulico |
0.00003 / 0.00015 km / km |
| Angulo de flujo |
65º / 120º |
| Tasa de recarga |
0.00027 m/d |
Los valores de la tabla, están reportados en
diferentes estudios (SARH, 1988; Marín, 1990; Villasuso,
1992; BGS, FIUADY, CNA, 1995; Steinich y Marín, 1996;
Graniel et al. , 1999; entre otros).
Para definir con mayor exactitud el área de
protección de los pozos de extracción de la Planta Mérida
I, se realizó un montaje de los gráficos de las áreas
obtenidas y de las concentraciones de nitratos y de
coliformes fecales en las épocas de estiaje y lluvia. Estas
condiciones fueron las menos favorables, por lo que la
delimitación del área de protección es más precisa
(Figuras 5 y 6).
5.- CONCLUSIONES
De acuerdo con los resultados de los potenciales
hidráulicos, se tienen dos comportamientos, uno que va de SW
a NE en el estiaje y el otro, que va de SE hacia el NW
en época de lluvia.
La calidad química y bacteriológica de las aguas
de los pozos, es de menor calidad en los pozos someros y
durante la época de estiaje; en comparación con lo
establecido en la NOM-94.
Figura 5: Delimitación del área de
protección. Nitratos en pozos profundos en estiaje y lluvia.
Figura 6: Delimitación del área de
protección. Coliformes fecales en pozos someros en estiaje y
lluvia.
La delimitación de la zona de reserva
hidrogeológica del campo de pozos de extracción de la
planta Mérida I, fue la resultante de utilizar un gradiente
hidráulico de 0.00015 km / km, ya que se obtuvo una
distancia de 4374.99 metros considerando un período de un
año; y con el gradiente de 0.00003 km / km, se obtuvo una
distancia promedio de 806.70 metros; ambas distancias,
representan el lugar desde donde el pozo está extrayendo el
agua.
De la condición más desfavorable elegida, se
realizó el montaje de las WHPA y las calidades química y
bacteriológica, se pudo observar que la contaminación por
coliformes fecales podría afectar la calidad del agua
subterránea del campo de pozos a corto plazo, considerando
que las condiciones de vulnerabilidad de los acuíferos
cársticos no han podido ser descritas por los modelos
analíticos y numéricos conocidos.
En cuanto a la contaminación por nitratos, ésta es
menos severa al nivel profundo (cumpliendo con el valor
establecido en la Norma), por lo que podría considerarse
actualmente como "sin riesgos".
6.- RECOMENDACIONES
Realizar otras pruebas con el Programa WHPA,
variando los valores de las características geohidrológicas
del acuífero, con la finalidad de obtener la condición más
desfavorable que permita hacer sugerencias precisas para la
preservación del recurso, que es la única fuente de
abastecimiento.
Asimismo, se sugiere la elaboración y puesta en
marcha de un esquema de manejo para la zona de protección
delimitada, con fines de preservación de la calidad del agua
para uso y consumo humano.
7.- AGRADECIMIENTOS
Al Sistema de Investigación Regional Justo Sierra
del CONACyT, por el financiamiento económico para la
realización del proyecto "Delimitación de una zona de
reserva hidrogeológica para el abastecimiento de agua
potable a la ciudad de Mérida, Yucatán", Clave 980607.
8.- REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
APHA, AWWA, WEF. (1992) Standard Methods for the Examination
of Water and Wastewater. 18 th. edition. Clesveri L.S., Eaton
A.D. y A.E. Greenberg (Eds.) Washington, D.C. USA.
BGS, FIUADY, CNA (1995) British Geological Survey, Facultad
de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán,
Comisión Nacional del Agua. Impact of urbanisation on
groundwater in Mérida, Mexico. Final Report. NCR.
Nothingham, UK.
CNA (1997) Comisión Nacional del Agua. Ley de Aguas
Nacionales y su Reglamento. México.
CNA (2000) Comisión Nacional del Agua. Base de datos
climatológicos en el área de estudio.
Escalante, Z.A. (2000) Diagnóstico preliminar para la
delimitación de una zona de reserva hidrogeológica al sur
de la ciudad de Mérida, Yucatán. Tesis de Licenciatura en
Ingeniería Civil. Universidad Autónoma de Yucatán,
México.
Graniel CE, Morris BL, Carrillo-Rivera JJ (1999) Effects of
urbanization on groundwater resources of Merida Yucatan.
Environmental Geology 37 (4) 303:311.
INEGI (1992) Instituto Nacional de Estadísticas Geografía e
Informática. Anuario Estadístico del Estado de Yucatán.
Gobierno del Estado de Yucatán. México.
JAPAY (2000) Junta de Agua Potable y Alcantarillado de
Yucatán. Planta Mérida I. Comunicación personal con el
Ing. William Espejo, Jefe de la planta.
Miller J (1996) Comparación de los acuíferos floridano y
yucateco. En Memorias del 3er. Congreso Latinoamericano de
Hidrología Subterránea. Zacatecas, México.
Marín LE (1990) Field investigation and numerical simulation
of groundwater flow in the karstic aquifer of Nortwestern
Yucatan, Mexico. PhD Thesis Northern University of Illinois,
USA.
NOM-127-SSA1 (1994 ) Norma Oficial Mexicana. Secretaría de
Salubridad y Asistencia. Salud Ambiental, agua para uso y
consumo humano – límites permisibles de calidad y
tratamientos a que debe de someterse el agua para su
potabilización.
Pacheco AJ (2000) Informe parcial del proyecto
"Delimitación de una zona de reserva hidrogeológica
para el abastecimiento de agua potable a la ciudad de
Mérida, Yucatán". Sistema de Investigación Justo
Sierra del CONACyT. Universidad Autónoma de Yucatán.
SARH (1988) Secretaría de Agricultura y Recursos
Hidráulicos. "Sinopsis Hidrogeológica de la Península
de Yucatán". México.
Steinich B, Marín LE (1996) Hydrogeological investigation in
Northwest Yucatan Mexico using resistivity surveys.
Groundwater 34 (4) 640:646
Villasuso PM (1992) Geohidrología e hidrogeoquímica del
acuífero de la Península de Yucatán. Mecanismos de
contaminación. Seminario de Investigación de la Facultad de
Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán. México.
WHPA (1993) Wellhead Protection Areas. Addendum to the WHPA
code ver 2.0 User Guide. Environmental Protection Agency.
USA.
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