Marco Geológico

La Cuenca Oriental se encuentra en la parte oriente del Eje Neovolcánico, es una cuenca endorreica ubicada entre las coordenadas 97° 09’ y 98° 03’ O y entre los 18° 48’ y 19° 43’ N (^{Arredondo, 2002}). Abarca tres estados del territorio mexicano: Puebla, Tlaxcala y Veracruz (^{Alcocer et al., 2007}). Tiene una superficie aproximada de 5250 km². En general se puede definir como una planicie cubierta parcialmente por lagunas temporales y someras, rodeadas por altas y escarpadas montañas, cuyas cimas constituyen el parteaguas de la cuenca (^{Reyes, 1979}). Tiene una cota promedio de 2300 m (^{Gasca, 1981}).

El parteaguas norte de la cuenca está delimitado por el enorme complejo volcánico del Pleistoceno que forma la caldera de Los Humeros y la Sierra de San Antonio, al sur de Teziutlan, Puebla. El parteaguas NO se construye con la Sierra de Tlaxco; una enorme acumulación de tobas y cenizas volcánicas que en parte contienen algunos acuñamientos de sedimentos lacustres. En la zona occidental se levanta la estructura cónica compleja de lava y cenizas que forman La Malinche, de una altura de 4461 m (^{Yarza de, 2003}), con sus pequeños conos adventicios. La parte sur está ocupada por la Sierra de Soltepec, con una dirección NO-SE formada por cenizas cretáceas al SE y material basáltico al NO. Por último, se cierra al oriente por un sistema de estructuras y derrames andesíticos y riolíticos que forman la Sierra de Citlaltépetl. Esta sierra se inicia al sur con la Sierra Negra y el Pico de Orizaba o Citlaltépetl de una altura de 5675 m (^{Macías, 2005}), se continúa al sur un cordón de 3300 m de altura formada principalmente por riolitas y traquiandesitas hasta culminar al norte con la prominencia llamada Cofre de Perote de 4282 m de altura (^{Díaz et al., 2008}).

En el interior de la cuenca se encuentran unidades perfectamente definidas, como el núcleo riolítico que forman las crestas de Las Derrumbadas y el Cerro Pinto en la parte centro-oriental; el Cerro Pizarro es otra prominencia que domina toda la cuenca desde el NE (^{Riggs y Carrasco, 2004}). Al sur de la cuenca, en el área de San Salvador El Seco, existe un conjunto de aparatos volcánicos que representan, con los anteriores, las topografías más elevadas que se observan en el interior de la cuenca.

Existen dos lagos intermitentes, uno en el centro de la cuenca con 2334 m, llamado El Carmen (Totolcingo) y otro conocido como El Salado (Tepeyahualco) a 2312 m.

Existen extensas coladas basálticas superpuestas, una forma un malpaís escalonado desde la enorme caldera de Los Humeros descendiendo hasta cortarse abruptamente en el llano, a los pies del Cerro Pizarro; otra es la que se observa a un costado de la carretera Zacatepec-San Salvador El Seco.

Durante el Cretácico se desarrollaron potentes depósitos marinos calcáreos en el área. Con los movimientos del intenso plegamiento que sufrió la corteza a principios del Terciario, los sedimentos marinos emergieron formando anticlinales que han sido erosionados y sinclinales que han sido rellenados, quedando tan sólo una pequeña parte de ellos (^{Reyes, 1979}).

Estos sinclinales rellenados son el basamento de la Cuenca Oriental. Estos materiales de relleno, que en la actualidad han peneplanizado y dado configuración actual a la cuenca, son constituidos por rocas volcánicas de diferente composición, en forma de derrames lávicos y una enorme cantidad de sedimentos piroclásticos (^{Gasca, 1981}).

La composición de las estructuras prominentes en el interior y las que delimitan la cuenca, hacen suponer que los sedimentos piroclásticos corresponden al material que componen estas prominencias. ^{Gasca (1981)} hace una breve descripción de los materiales que forman la cuenca, entre estos materiales se encuentran las riolitas que petrográficamente se definen como riolitas sódicas; las andesitas, principalmente fenocristales de olivino; las tobas, corresponden a todos los sedimentos piroclásticos de composición variable que peneplanizan la cuenca, los cuales se encuentran en su mayoría en una etapa de intemperismo avanzado y los derrames y conos cineríticos basálticos, que petrográficamente se definen como basaltos de olivino, la sucesión de derrames sobrepuestos y el hecho de ser posteriores a la formación de la planicie, facilitó su movilización para cubrir un área muy extensa.

Hidrología Subterránea

La mayoría de los acuíferos, explotados en el estado de Puebla, son de tipo libre y relativamente poco profundos; los niveles estáticos fluctúan entre 2 y 80 m (^{INEGI, 2010}). El agua disponible se encuentra en su mayor parte en la Cuenca Oriental. En donde la mayoría de los escurrimientos pluviales se infiltran hacia el subsuelo, formando un manto acuífero extenso, el cual constituye un recurso de abastecimiento hídrico muy valioso (^{Alcocer et al., 2005}).

La relevancia de la Cuenca Oriental, como área almacenadora de agua subterránea, estriba en el hecho de que 40% de ésta presenta materiales consolidados de alta permeabilidad con posibilidades altas de presencia de recursos hídricos subterráneos. Dichos materiales se encuentran en toda el área baja de la cuenca (^{Alcocer et al., 2005}).

^{Gasca (1981)} menciona que la constitución litológica de la planicie da como resultado una alta permeabilidad, por lo que su red hidrográfica no esta desarrollada y sólo se encuentran cauces bien definidos en las faldas de los volcanes mayores. Existen algunas áreas impermeables donde se desarrollan zonas pantanosas y lagos efímeros en las temporadas de lluvia, pero llegan a desaparecer casi totalmente en las épocas de seca. También existen manantiales, como El Carmen y Estación Manantiales, y cuerpos de agua denominados lagos-cráter.

Clima

La Cuenca Oriental tiene un clima árido con una evaporación anual entre 1690 mm y una precipitación menor a 500 mm (intervalo entre 1966 a 2002); una temperatura entre -5.5 a 30 °C con una media de 12.9 °C (^{Adame et al., 2008}).

^{Alcocer et al. (2007)} clasifican la zona por climas, de acuerdo con la altitud, por lo que para este trabajo se consideró la parte más baja de la cuenca, comprendida entre las coordenadas 97° 10’ y 97° 50’ O y 19° 00’ y 19° 40’ N. El clima semiárido (BS1) con base a ^{Alcocer et al. (2007)} se distribuye en la parte central de la cuenca, la cual tiene una altitud entre 2300 y 2400 m, corresponde a la parte mas baja de la cuenca. El clima templado subhúmedo con lluvias en verano (C (W1)) rodea por completo al BS1 en forma concéntrica. Ambos climas son los predominantes en la cuenca, no obstante, el C (W1) se ubica entre 2400 y 3000 m en la parte norte y entre 2300 y 2500 en las zonas este, oeste y sur.

Muestreo de Agua en Pozos

El muestreo de agua se realizó en el mes de marzo de 2008. Se seleccionaron 25 pozos, considerando su ubicación y altitud en la cuenca, de tal manera que permitan obtener un resultado confiable sobre la composición química del agua en el acuífero, también, se consideraron estos pozos porque se ubican en áreas abiertas, actualmente, a la agricultura de riego. El muestreo se realizó con base a la NOM-014-SSA1-1993. Se recolectaron tres muestras simples en cada pozo. Los pozos se ubicaron con un GPS Garmín MAP 60, mismo que se usó para establecer la altitud aproximada en metros de cada sitio (Figura 1). La altitud promedio de los sitios muestreados fue de 2364 m.

Figura 1 Ubicación de los pozos para el muestreo de agua en la cuenca Oriental de los estados de Puebla, Tlaxcala y Veracruz. 

Para conocer la composición cuantitativa y cualitativa de las aguas, se realizaron determinaciones físicas y químicas a cada una de las muestras de agua (Cuadro 1).

Cuadro 1 Determinaciones físicas y químicas realizadas a las muestras de agua de la Cuenca Oriental de los estados de Puebla, Tlaxcala y Veracruz. 

Se verificó la exactitud de los valores analíticos usando el método de comprobación recomendado por ^{Eaton et al. (1995)}, que se basa en el balance iónico entre aniones y cationes.

Para definir la calidad del agua, de acuerdo a su salinidad y contenido de sodio, se utilizó el diagrama propuesto por ^{Richards (1990)}, que grafica los valores de la RAS con respecto a los valores de la CE, también se evalúo de acuerdo al índice CSR. La RAS utilizada fue la propuesta por ^{Suárez (1981)}, debido a que en aguas con concentraciones elevadas de bicarbonatos, el calcio presenta grandes variaciones. Para evaluar la toxicidad del B se utilizaron las directrices propuestas por ^{Ayers y Westcot (1987)} y para predecir el efecto del agua al ser aplicada al suelo mediante el riego, se utilizó la gráfica de infiltración. Esta gráfica relaciona la salinidad (CE) y la RASo. La ecuación propuesta por ^{Suárez (1981)} para calcular la RAS°:

El valor de Ca° es el contenido de calcio en el agua de riego, corregido por la salinidad del agua (CEa), por el contenido de iones bicarbonato en relación a su propio contenido de calcio (HCO₃/Ca) y por la presión parcial del dióxido de carbono (CO₂), ejercida en los primeros milímetros del suelo (presión = 0.0007 atmósferas). Cada uno de los valores de Ca° representa la concentración final del calcio que permanecería en solución en el suelo, como resultado de aplicar un agua de determinada salinidad (CE) y contenido relativo de bicarbonatos en relación al calcio (HCO₃/Ca).

^{Ayers y Westcot (1987)} también proponen la evaluación del índice de saturación (IS) para predecir el efecto de los iones bicarbonato sobre el calcio y por consiguiente su efecto en el suelo y los sistemas de riego. Este índice se calcula mediante la ecuación propuesta por ^{Langelier (1936)}, llamado índice de saturación, indica la magnitud con que el agua fluye en un sistema cerrado, (sin pérdida de CO₂) precipitando o diluyendo CaCO₃. El IS es definido por el pH actual del agua (pHa) menos el pH teórico (pHc) que el agua alcanzaría estando en equilibrio con CaCO₃:

Índice de saturación = pHa - pHc

Valores positivos de este índice indican que el CaCO₃ precipitará del agua, mientras que valores negativos indican que el agua disolverá CaCO₃.

La ecuación de Langelier para el cálculo del pHc es:

Para conocer el carácter químico dominante de las aguas, es decir, su composición y procedencia iónica, se clasificó hidrogeoquímicamente utilizando el diagrama de ^{Piper (1944)}.

Clasificación de las Aguas con Base en la CE y la RAS

Los valores de la CE y la RAS° de las aguas subterráneas se presentan en el Cuadro 2. Mediante el diagrama de clasificación propuesto por ^{Richards (1990)}, las aguas de siete pozos se clasifican como C1-S1 (agua de baja salinidad, baja en sodio), ocho se ubican como C2-S1 (agua de salinidad media, baja en sodio), cuatro como C3-S1 (agua altamente salina, baja en sodio) y seis son C3-S2 (agua altamente salina, media en sodio).

Cuadro 2 Concentrado de datos analíticos y clasificación de acuerdo a la salinidad (CE) y contenido de sodio (RAS°) de las aguas de 25 pozos de la Cuenca Oriental de los estados de Puebla, Tlaxcala y Veracruz. 

De acuerdo a esta clasificación 10 pozos son los que deben condicionarse para su uso, debido a su alta salinidad y seis de estos, a su vez, debido a su contenido medio en sodio. Estas aguas no deben usarse en suelos cuyo drenaje sea deficiente, sin embargo, pueden usarse en especies vegetales muy tolerantes a la salinidad, como la alfalfa que tolera hasta 2000 μS cm-1, la cebada 8000 μS cm^-1, trigo 4500 μS cm^-1 y el pasto bermuda 6900 μS cm^-1. Con respecto al contenido medio en sodio sólo deben usarse en suelos de textura gruesa o en suelos orgánicos de buena permeabilidad.

Clasificación de las Aguas con Base en el Contenido de Boro

El contenido de boro (B) en los suelos salinos y las concentraciones que se encuentran en algunas aguas de riego se determinan como parte de la evaluación por salinidad. Las aguas superficiales rara vez contienen niveles tóxicos de B, pero los nacimientos de agua y las aguas de pozo pueden contener concentraciones tóxicas, principalmente en las cercanías de fallas sísmicas y áreas geotérmicas. En el suelo se encuentra en minerales como la turmalina (^{Keren, 1996}). Para evaluar este peligro, se usó la directriz propuesta por ^{Ayers y Westcot (1987)}. Al clasificar, las aguas de 17 pozos no presentan restricción para su uso de acuerdo a su contenido de B, siete presentan reducción ligera a moderada y un pozo presenta reducción severa (Cuadro 3). Para usar las aguas de los últimos ocho pozos, deben seleccionarse cultivos tolerantes al contenido de B, como el apio, la avena, maíz, calabaza que toleran entre 2 a 4 mg B L^-1; y el tomate, alfalfa, remolacha y sorgo que toleran entre 4.0a6.0mgBL^-1.

Cuadro 3 Clasificación de las aguas con base al contenido de boro (B) y carbonato de sodio residual (CSR) de 25 pozos ubicados en la Cuenca Oriental de los estados de Puebla, Tlaxcala y Veracruz. 

El pozo número 5 es de alta concentración, al respecto, ^{Lesser (1987)} menciona que el B se encuentra en aguas que se encuentran en áreas de actividad volcánica reciente. ^{Gméling et al. (2007)} en un trabajo sobre las concentraciones de B en campos volcánicos, encontró valores similares al pozo 5 y las asocia a las rocas provenientes de zonas geotérmicas, entre estos minerales, el principal es el olivino. Se concluye que el alto contenido de B en el pozo 5 es bebido al contacto del agua con minerales ricos en B, provenientes de la actividad volcánica reciente del campo geotérmico Los Humeros.

Clasificación de las Aguas con Base en CSR

En aguas con concentraciones altas en bicarbonatos, el calcio y el magnesio tienden a precipitarse en forma de carbonatos a medida que la solución del suelo se vuelve más concentrada. Esta reacción no se completa totalmente en circunstancias ordinarias, pero a medida que tiene lugar, las concentraciones de calcio y magnesio se van reduciendo, aumentando así la proporción relativa de sodio. ^{Eaton (1950)} propone el CSR para evaluar esta reacción. Cuando en el agua de riego, el contenido de carbonatos y bicarbonatos es mayor que el contenido de calcio y magnesio, como las obtenidas en este trabajo (Cuadro 2), existe la posibilidad que se forme el carbonato de sodio, debido a que, por su alta solubilidad, puede permanecer en solución aún después de que han precipitado las primeras sales en forma de carbonatos de calcio y magnesio.

Las aguas de 15 pozos se clasificaron como buenas para uso agrícola, pero solo dos de ellos con valores negativos y 13 con valor positivo, tres como condicionadas con valores positivos y siete condicionadas con valor positivo no recomendables para el riego (Cuadro 3). El carbonato de sodio provoca la defloculación del suelo. Los valores de CSR negativos indican que no existe el problema, y los valores positivos indican que calcio y magnesio precipitan al suelo como carbonatos, existiendo sólo sales de sodio en solución.

Clasificación de las Aguas con Base en el Peligro de Infiltración

Un problema de infiltración se hace evidente, cuando el agua de riego no atraviesa la superficie del suelo a una velocidad lo suficientemente rápida, como para permitir la renovación del agua consumida por el cultivo entre dos riegos. Cuando la reducción de la infiltración se debe a la calidad del agua aplicada, el problema ocurre por lo general, en los primeros centímetros del suelo, aunque ocasionalmente, puede ocurrir, a mayores profundidades. Además de la calidad del agua, la infiltración es determinada por las características físicas y químicas del suelo. Mediante la evapotranspiración, las sales menos solubles precipitan al concentrarse, quedando en predominio una fracción de las más solubles. Esta, es la causa que da lugar al predominio de los iones más solubles, como el sodio, en la primera capa del suelo. La infiltración, en general, aumenta con la salinidad y disminuye con una reducción en salinidad, o un aumento en el contenido de sodio en relación al calcio y magnesio (RAS) (^{Ayers y Westcot, 1987}; ^{McNeal, 1968}; ^{Pupisky y Shainberg, 1979}). El problema principal en la superficie de los suelos es la dispersión y destrucción de la estructura (^{Oster y Schoer, 1979} y ^{Oster, 1994}).

Los resultados, obtenidos al graficar indican que las aguas de cinco pozos no presentan reducción en la infiltración, 18 presentan reducción ligera a moderada y dos presentan reducción severa sobre la infiltración (Cuadro 4). Este problema debe tomarse en cuenta, principalmente, en las áreas con suelos de origen lacustre, que es donde el problema es más grave por la baja permeabilidad.

Cuadro 4 Clasificación de las aguas en base al peligro de infiltración y al índice de saturación (IS) de 25 pozos ubicados en la Cuenca Oriental de los estados de Puebla, Tlaxcala y Veracruz. 

Clasificación de las Aguas con Base en el Índice de Saturación

Cuando las aguas contienen concentraciones apreciables de bicarbonatos y se emplean en la irrigación, una fracción variable de estos constituyentes precipita en el suelo como CaCO₃ de acuerdo a la ecuación:

Esta precipitación causa una disminución en la salinidad del suelo pero causa un incremento en la proporción de sodio en la solución del suelo, y, en consecuencia sobre el complejo de intercambio (^{Bower y Wilcox, 1965}). Sin embargo, la magnitud de la precipitación del bicarbonato de las aguas de riego es gobernado de una manera compleja por las prácticas de manejo del agua y las condiciones del suelo, así como por la composición del agua (^{Bower et al., 1965}).

En los últimos años, en la Cuenca Oriental, se han introducido sistemas de riego localizado, entre estas el pivote central, estos sistemas de riego por aspersión, son los más recomendables para las condiciones del suelo en la cuenca. El problema en los equipos es la precipitación de sustancias químicas. ^{Ayers y Westcot (1987)} dicen que las obstrucciones provocadas por las precipitaciones químicas de materiales como el carbonato de calcio y sulfato de calcio se producen gradualmente. Las altas temperaturas y los valores altos de pH favorecen la precipitación química, la cual se origina por exceso de carbonatos o sulfatos de calcio o magnesio.

La precipitación del calcio en el agua, puede ser evaluada mediante el índice de Langelier (^{Bower et al., 1965}; ^{Bower y Wilcox, 1965}), según el cual, el carbonato de calcio precipita cuando alcanza su límite de saturación en presencia de bicarbonato.

Los resultados obtenidos indican que las aguas de 24 pozos precipitaran CaCO₃, y solo las aguas de un pozo solubilizarán CaCO₃, esto se debe principalmente al elevado pH y a la alta concentración de bicarbonatos (Cuadro 4).

Clasificación Hidrogeoquímica

Esta clasificación indica que las aguas analizadas forman tres facies, un primer grupo formado por 19 pozos, corresponden a aguas de tipo sódico bicarbonatadas; un segundo, compuesto por cuatro pozos, como no dominantes bicarbonatadas, y un tercero, con dos pozos, magnésico bicarbonatadas (Figura 2).

El agua del acuífero, de la Cuenca Oriental, es de baja concentración iónica y de composición sódico bicarbonatada. En los estratos de mezcla de agua, la concentración iónica es mucho mayor y de facies sódico bicarbonatadas, y en las zonas de recarga de carácter no dominante-magnésico bicarbonatadas. Las recargas mas notables provienen del volcán La Malinche, los principales nacimientos son El Carmen y Estación Manantiales, los estratos de mezcla se ven en La Noria y pozo poco profundo de la Hacienda San José Ozumba, donde las aguas son de tipo magnésicas y no dominante bicarbonatadas. La mayor concentración iónica se tiene en los pozos 5, 9, 10, 11, 18 y 23 y claramente se nota que pertenecen a aguas freáticas, como el caso de la noria con número 23 y los pozos someros 9, 18, 10 y 11.

Figura 2 Clasificación hidrogeoquímica, mediante el diagrama de ^{Piper (1944)}, de las aguas subterráneas de la Cuenca Oriental de los estados de Puebla, Tlaxcala y Veracruz. 

El carácter químico dominante del agua es el reflejo de los materiales con los que tiene contacto, así, los pozos explotados en los alrededores de los lagos salinos y de poca profundidad presentan una mayor concentración iónica, debido a que son aguas freáticas en constante intercambio iónico con los materiales del estrato lacustre. Los pozos de mayor profundidad, que explotan las aguas del acuífero, son de baja concentración y composición iónica más estable, sódico bicarbonatadas. Resultados como estos fueron encontrados en la ciénega de Chapala por ^{Silva et al. (2005)} y en la porción centro-oriental del Valle del Mezquital por ^{Del Arenal (1985)}.

Los procesos geológicos que dieron origen a esta cuenca, convirtiéndola en una cuenca endorreica, corresponden al Plio-Pleistoceno (Díaz, 1988). Al cerrarse la cuenca, el agua subterránea quedó confinada, y al mismo tiempo los fenómenos volcánicos fueron rellenando la cuenca con material volcánico. El agua confinada, de un carácter químico diferente al actual, al contacto con los materiales volcánicos fue adquiriendo, con el paso del tiempo, las características químicas del material. Los materiales en contacto con el agua subterránea son de tipo volcánico, ricos en sodio, catión que domina en la actualidad en las aguas, el anión predominante es el bicarbonato. La predominancia del bicarbonato se ha mantenido desde el periodo de formación de la cuenca hasta la actualidad, las pequeñas variaciones en su concentración, al igual que el sodio, son únicamente producto del intercambio iónico al contacto con los materiales volcánicos. ^{Ortega et al. (2002)} asocian el carácter sódico, a la disolución del mineral feldespático llamado albita.

Al convertirse en una cuenca endorreica en el Plio-Pleistoceno y siendo una zona de gran actividad volcánica durante el Pleistoceno, los constantes aportes de materiales piroclásticos, así como las últimas glaciaciones, dieron origen a un gran lago pleistocénico (^{Álvarez, 1949}) que en la actualidad ha quedado dividido en dos pequeños lagos intermitentes, el lago de Totolcingo y el Lago de Tepeyahualco; estos lagos se conservan en las partes más bajas, donde el material sedimentado se concentró y dio una alta impermeabilidad.