Zona de estudio

El AVT tiene una superficie de 3 600 km² y se ubica en la zona centro del estado de Puebla, México. Geográficamente, está limitado por los paralelos 18° 32” 20.1” y 19° 13’ 45.8” y los meridianos 97° 14’ 31.7” y 98° 3’ 6.2” (Figura 1). En el Plan de Manejo del AVT se establece que son 27 municipios los que conforman el acuífero, aun cuando sus límites geográficos abarcan otros municipios. Actualmente, dicho acuífero se encuentra sobreexplotado, con un déficit de agua de 63.3625 Mm³·año^-1 (^{Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales [SEMARNAT], 2018}) y con una población de 728 878 habitantes (^{Instituto Nacional de Estadística y Geografía [INEGI], 2010}) dedicados principalmente a la agricultura.

Figura 1 Ubicación del acuífero del Valle de Tecamachalco de acuerdo con su condición hidrológica. Fuente: ^{Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (2012)} y ^{GeoComunes (2015)}, con algunas modificaciones. 

El AVT comprende las regiones hidrológicas administrativas IV Balsas y X Golfo Centro. La primera abarca cerca de 90 % del acuífero y en ella se encuentran los valles de Esperanza, Palmar de Bravo y Tepeaca-Tecamachalco. En la segunda se encuentran los municipios de Esperanza, Cañada Morelos, Tlacotepec de Benito Juárez y Yehualtepec (^{Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos [SARH], 1989}).

Por sus aguas superficiales, el AVT pertenece a la Región Hidrológica núm. 28 Cuenca del río Papaloapan y subcuenca del río Salado, la cual abarca desde el Valle de Esperanza y la porción sur-occidental del Valle de Tepeaca-Tecamachalco, y a la segunda Unidad del Distrito de Riego 030 Valsequillo, hasta Tehuacán. La primera unidad de este Distrito de Riego, al igual que el Valle del Palmar de Bravo, se encuentra dentro de la Región Hidrológica del río Balsas núm. 18 (^{CONAGUA, 2015}).

Fisiográficamente, la zona del acuífero se encuentra enclavada en el extremo oriente de la faja Volcánica Transmexicana y parte de la Sierra Madre del Sur. En la región de estudio, se han identificado tres unidades geomorfológicas principales: planicies intermontanas (valles), serranías y conos volcánicos, con elevaciones que van de los 2 000 msnm en las partes más bajas de Tepeaca-Tecamachalco, hasta los 2 400 msnm hacia los volcanes. Los plegamientos caracterizan a las rocas calcáreas, que a su vez constituyen una sierra de forma alargada de orientación noroeste-sureste, en la Sierra de Soltepec y Cuesta Blanca (ambas localizadas en la porción septentrional de la zona de estudio), y divida por los valles de Esperanza y Palmar de Bravo. Por su parte, la Sierra el Monumento delimita los valles de Palmar de Bravo y el de Tepeaca-Tecamachalco (^{Comisión Nacional del Agua [CNA], 1999}).

El clima en los municipios de Palmar de Bravo, Esperanza y Cañada Morelos es del tipo BS1Kw(w), clima semiseco, subtipo semiseco templado con temperaturas entre 12 y 18 °C, y precipitación de 400 a 600 mm·año^-1. Hacia el centro del acuífero, en Tecamachalco y Quecholac, el clima es del tipo C(wo)(w), templado subhúmedo (agrupa a los subtipos menos húmedos) con temperatura promedio anual de 16 a 18 °C y precipitación de aproximadamente 600 mm·año^-1. En los municipios de Tepeaca, Acajete y Acatzingo, los tipos de clima son C(w1)(w) y C(w2)(w), templados subhúmedos (el primero agrupa los subtipos de humedad media, y el segundo agrupa los subtipos más húmedos), con precipitación media entre 600 y 700 mm·año^-1. Las zonas del Pico de Orizaba y del volcán La Malinche son las más frías, con temperatura media de 12 a 14 °C y precipitación media de 602 a 850 mm·año^-1 (^{INEGI, 2009a}, ^2009b, ^2009c).

Datos

Se utilizó información del volumen concesionado de 1 445 pozos de agua subterránea del AVT, el cual se encuentran en el Registro Público de Derechos de Agua (REPDA). Los datos analizados pertenecen al periodo de 1997 a 2016, fueron generados por la CONAGUA e incluyen la ubicación y los diferentes usos consuntivos del agua como: agrícola, público-urbano, industrial, servicios, usos múltiples, pecuarios y domésticos.

El Comité Técnico de Aguas Subterráneas (COTAS) de Tecamachalco monitorea una red de pozos desde 1997, la cual ha variado de 60 a 71 pozos, ya que en ocasiones no es posible sondearlos todos o, en algunos casos, se han sustituido porque han dejado de operar. Los usos de estos pozos de observación son urbano, agrícola y pecuario, y los sondeos se realizan de septiembre a diciembre.

Para definir las subcuencas del AVT, se generó un modelo de elevación Aster 2011 versión 2, a una resolución espacial de 15 m², con una toma de 60 km² ubicados en la columna 2 482 y la fila 1 246.

Los datos piezométricos de los pozos de extracción de agua subterránea de 2016 se obtuvieron en campo con el fin de ampliar la red de monitoreo hacia la subcuencas donde no se cuenta con datos. Para tal efecto, se sondearon 154 pozos, de los cuales el 75 % son de uso agrícola. Por las condiciones de deterioro de los equipos de bombeo y la falta de acondicionamiento para realizar el sondeo, solo se registraron datos de niveles estáticos de 89 pozos.

Análisis y procesamiento de datos

El manejo y procesamiento de los datos se realizó en el programa estadístico XLSTAT y el Sistema de Información Geográfica (SIG). Las subcuencas se delimitaron con la herramienta Hidrology del análisis espacial del SIG. A partir de un modelo digital de elevación (DEM, por sus siglas en inglés) y curvas de nivel, se determinó un punto de desfogue o drenaje de la cuenca, para lo cual se definió el perímetro de acuerdo con la línea divisoria de aguas, tomando como referencia las curvas de nivel o relieve. Además, las cuencas están delimitadas por el parteaguas (línea imaginaria que une los puntos de máximo valor de altura relativa entre dos laderas adyacentes, pero de exposición opuesta), desde la parte más alta de la cuenca hasta su punto de emisión en la zona hipsométricamente más baja. Las líneas que delimitan las subcuencas se conocen como parteaguas secundarios.

Se utilizó la prueba estadística de Mann-Kendall (MK) (^{Sang, Wang, & Liu, 2014}; ^{Sishodia et al., 2016}) para probar la importancia de las tendencias del agua subterránea y de los procesos hidrológicos. Esta prueba no paramétrica se ha utilizado cuando los datos no se distribuyen normalmente, pero requiere que los datos sean independientes (^{Milan & Trajkovic, 2013}). También se utiliza cuando existen datos faltantes o datos no correlacionados (^{Hamed, 2008}; ^{Hasanuzzaman, Song, Han, Zhang, & Hussain, 2017}). El propósito de esta prueba es evaluar estadísticamente si existe una tendencia ascendente o descendente, monótona o monotónica, de la variable de interés, lo que significa que la variable aumenta o disminuye constantemente a través del tiempo. Además, es útil para identificar estaciones donde los cambios son significativos o de gran magnitud, y a cuantificar estos hallazgos (^{Kisi & Ay, 2014}; ^{Zhang, Odeh, & Han, 2009}).

Este método compara los últimos valores medidos con el valor anterior medido calculando el estadístico de MK (S). De esta manera, se comparan n(n-1)/2 pares posibles de datos para n observaciones (Ecuación 1). El nivel de significancia para la tendencia de esta prueba es de 0.05.

Donde S indica la tendencia creciente (valores positivos) o decreciente (valores negativos) con el tiempo, y _j y y _i son los valores anuales de los datos en la serie de tiempo y los valores de sgn(y _j -y _i ) indican lo siguiente:

La prueba MK se utilizó con la pendiente Thiel-Sen (^{Yue, Pilon, & Cavadias, 2002}), referida comúnmente como pendiente Sen, y sirve para medir la magnitud de la tendencia. Dicha pendiente es la mediana de las pendientes obtenidas de todos los pares de datos comparados y se calcula a partir de la siguiente ecuación:

donde j > i, j = 1 y i = 1… n − 1, n es el número total de observaciones.

Por otro lado, para analizar el comportamiento de los niveles piezométricos derivados del sondeo de pozos de agua subterránea del AVT y de la red de monitoreo del COTAS Tecamachalco, se utilizó el método geoestadístico de interpolación espacial Kriging (Ecuación 3), donde la variación espacial de los valores de Z se puede deducir de los valores circundantes de acuerdo con las funciones homogéneas. La distancia o la dirección entre los puntos de muestreo refleja una correlación espacial que se puede utilizar para explicar la variación en la superficie; para ello, se ajusta una función matemática a una cantidad específica de puntos, o a todos los puntos, dentro de un radio determinado, con lo que se obtiene el valor de salida para cada ubicación (^{Coaguila-Núñez, Tangerino-Hernández, Freitas-da Silva, & Gonçalves-Feitosa, 2013}). Este método es muy útil en estudios de hidrología superficial y subterránea, estudios de suelo y geológicos, aun cuando no permite el tratamiento de discontinuidades topográficas que supongan cambios bruscos y rupturas de pendiente.

Donde Z(S _i ) es el valor medido en la ubicación i, λ _i es una ponderación desconocida para el valor medido en la ubicación i, S ₀ es la ubicación de la predicción y N es la cantidad de valores medidos.

Finalmente, se realizó una simplificación esquemática del acuífero que representa sus condiciones reales para evidenciar la dinámica del nivel de agua subterránea de 1997 a 2016.

Antecedentes de los niveles de agua subterránea del AVT

El AVT fue declarado en veda de manera parcial desde la década de los cincuenta; sin embargo, no se cuenta con los datos históricos que denoten claramente la dinámica del abatimiento o disponibilidad de agua subterránea de este acuífero (^{CONAGUA-COTAS, 2002}). De acuerdo con los primeros estudios geohidrológicos realizados en la década de los setenta por la Gerencia de Aguas Subterráneas de la ^{CONAGUA (2002)}, el flujo de agua subterránea sigue una trayectoria de noreste a sureste, y sus principales zonas de recarga provienen de la Malinche, la Sierra de Cuesta Blanca, la Sierra de Soltepec y la Sierra del Monumento. En 1973, en la región de Palmar de Bravo y Esperanza, se analizaron 144 puntos de aprovechamiento de agua subterránea, con una extracción total de 30.6 hm³·año^-1; de los cuales, 22.6 hm³·año^-1 de 108 puntos correspondieron a Palmar de Bravo, y 8 hm³·año^-1 de 36 puntos se estimaron en Esperanza.

En 1974 se censaron 501 puntos de aprovechamiento (pozos, norias y galerías filtrantes) en el valle de Palmar de Bravo y de Esperanza, y se observaron profundidades del nivel estático entre 5 y 90 m en las planicies, y de 140 m en las zonas topográficas más accidentadas. Para esa fecha, en el Valle de Palmar de Bravo se extraían 52 hm³·año^-1: 17 hm³·año^-1 provenían de las galerías filtrantes y 35 hm³·año^-1 del acuífero. Por su parte, en el Valle de Esperanza se estimó una extracción de 11 hm³·año^-1: 2 hm³·año^-1 provenían de galerías filtrantes y 9 hm³·año^-1 del acuífero (^{CONAGUA, 2002}). La profundidad del nivel estático de agua subterránea en 1979, desde Cuacnopalan hasta Acatzingo de Hidalgo, varió de 10 a 30 m, a excepción de Quecholac, donde dichas profundidades oscilaron entre 40 y 50 m (^{CONAGUA, 2002}); al poniente de Cañada Morelos, dicho nivel se encontraba entre los 60 y 80 m.

A finales de la década de los ochenta, la profundidad del nivel estático en el Valle de Esperanza se encontraba entre los 20 y 50 m, a 10 m al norte de San Antonio Soledad y a 80 m en la zona norte del municipio de Esperanza. En esta misma fecha, la profundidad de los niveles estáticos de agua subterránea, en el área comprendida entre Cuacnopalan y Acatzingo, incrementó a 25 y 50 m, con un máximo local de 70 m al pie de la Sierra Soltepec y hacia el poblado de General Felipe Ángeles, mientras que en Quecholac las profundidades fueron de 30 m. En la zona de Tepeaca-Tecamachalco, y hasta las inmediaciones de Tlacotepec de Benito Juárez, las profundidades del agua subterránea variaban entre 10 y 50 m, con excepción del área ubicada hacia el norte de Santiago Acatlán y hacia las faldas del volcán de La Malinche, donde se encontraron profundidades mayores a 70 m, con un máximo de 130 m en San Agustín Tlaxco, situación provocada por la topografía del terreno. Al sur de Tepanco de López, en la tercera unidad de riego, las profundidades fueron de 5 a 30 m, lo que sugirió que esa parte del acuífero se encontraba cercana al equilibrio o con una baja sobreexplotación.

La extracción de agua subterránea del AVT estimada en 1988 fue de 228 hm³·año^-1, en 1999 de 283 hm³·año^-1 y en 2002 de 343 hm³·año^-1. Por su parte, la profundidad promedio de los niveles estáticos del agua de 109 pozos, reportados en 1996, era de 33.7 m, y el nivel dinámico de 48.9 m. De acuerdo con los 114 pozos piloto del mismo año, el promedio de los niveles estáticos fue de 36.4 m y el gasto promedio instantáneo de 31 L·s^-2, lo que resultó en una capacidad específica de 2 L·s^-1·m^-1 (^{CONAGUA, 2003}). En ese mismo año, Amozoc-Acatzingo, Tepeaca-Hueyotlipan y Atoyatempan-Primera Unidad presentaron un nivel estático promedio de 47.1 m, con base en dato de 163 pozos, y un nivel dinámico promedio de 58 m, perteneciente a 249 pozos.

Para el periodo comprendido entre 1974 y 1988, en Tecamachalco se encontró un abatimiento de los niveles estáticos de -20 m (^{CONAGUA, 2003}), similar al presentado en el Valle de Palmar de Bravo con abatimientos de -10 a -20 m (aproximadamente -1.2 m·año^-1). En Tepeaca se observaron abatimientos de -10 a -30 m, y en Acatzingo de Hidalgo se presentó una recuperación del nivel estático de 2 m. En la década de los noventa, se monitoreó el nivel del agua subterránea del AVT a través de una red de pozos, en el cual, el COTAS Tecamachalco realizó un sondeo anual. Los datos obtenidos analizan detalladamente a continuación.

Dinámica del nivel de agua subterránea del AVT de 1997 a 2016

El REPDA de la CONAGUA se creó en 1992 a partir de la Ley de Aguas Nacionales, y en 1994 inició el sondeo en el AVT. En ese año, se tenían registrados 14 pozos con un volumen concesionado de 1 592 288 m³. Para 2016, el número de pozos incrementó a 1 445, los cuales eran principalmente para uso público y agrícola; este aumento se vio reflejado en el volumen de agua concesionada, que alcanzó los 212 490 006.5 m³; es decir, hubo un incremento de 26 % anual (Figura 2). Adicionalmente, en la Figura 2 se pueden identificar los usos consuntivos del agua de los pozos; dichos pozos corresponden únicamente a los registrados en el REPDA, no al total de pozos que se encuentran actualmente en la zona sin registro, en proceso o en forma clandestina.

Figura 2 Dinámica del volumen de agua subterránea del acuífero del Valle de Tecamachalco concesionada, y número de pozos de 1997 a 2016. Datos obtenidos del Registro Público de Derechos de Agua y la Comisión Nacional del Agua en ese periodo. 

La distribución espacial de la red de monitoreo ha permitido evidenciar los cambios o tendencia de las fluctuaciones del nivel de agua subterránea en la zona de estudio, la cual se dividió en subcuencas para facilitar el análisis. Como se observa en la Figura 3, se encontraron más pozos de monitoreo en la subcuenca denominada Tepeaca.

Figura 3 Distribución espacial de los pozos de agua subterránea por subcuenca: incluye la red de monitoreo y el sondeo realizado en campo en 2016. 

De 1997 a 2016 incrementó la profundidad de los niveles estáticos de la red de monitoreo, lo que implicó un mayor abatimiento de los pozos, con una tasa de crecimiento anual de 1.45 %. La subcuenca con menor incremento en la profundidad del nivel estático fue Tlacotepec (con 0.7 %), seguida de Tepeaca (con 1.3 %), Tecamachalco y Xochitlán (ambas con una tasa de 1.9 %) (Figura 4). El abatimiento promedio en dicho periodo fue de 14 m para el conjunto de pozos.

Figura 4 Comportamiento promedio anual de los niveles estáticos del agua subterránea del acuífero del Valle de Tecamachalco, de 1997 a 2016. Datos obtenidos de la red de monitoreo del Comité Técnico de Aguas Subterráneas de Tecamachalco. 

Los resultados de la aplicación de la prueba MK a los 71 pozos monitoreados mostró que 86 % presentan una disminución del nivel estático del agua, lo que indica una profundidad del agua subterránea cada vez mayor, mientras que 14 % de los pozos tienen una tendencia a la alza; es decir, una menor profundidad del nivel de agua subterránea, con tendencia a su recuperación (Cuadros 1 y 2).

En el modelo de elevación digital (Figura 5) se pueden observar las profundidades de los niveles estáticos, que debido a la extracción continua de agua subterránea de los pozos, éstos siguen descendiendo. De 1997 a 2010, se observa en promedio un abatimiento de 10 m, principalmente en la subcuenca de Tepeaca. En dicho periodo, los pozos de uso público-urbano fueron los que registraron mayor profundidad de los niveles freáticos. Los pozos de uso agrícola variaron entre 80 y 90 m los más profundos, y los más someros alcanzaron los 20 m. Por su parte, en el periodo de 2010 a 2015 se observa una ligera recuperación del nivel estático de aproximadamente 5 m (Figura 5).

Figura 5 Mapas digitales de elevación interpolados por el método de Kriging de los niveles estáticos de aguas subterráneas del acuífero del Valle de Tecamachalco de 1997 a 2015. 

La Figura 6 representa el modelo digital de elevación para 2016, y se puede observar la zona de mayor profundidad del nivel estático, la cual se ubica en la subcuenca de Tecamachalco con pozos de más de 140 m de profundidad en los municipios de Palmar de Bravo y Huixcolotla. También se muestran pozos con poca profundidad (13 m) en la subcuenca de Cañada Morelos, donde además los pozos se encuentran cerca de las que anteriormente fueron galerías filtrantes.

Figura 6 Mapa digital de elevación interpolado por el método de Kriging de los niveles estáticos de aguas subterráneas del acuífero del Valle de Tecamachalco de 2016. 

^{Villarreal (2017)} menciona que de seguir la tendencia actual de aprovechamiento y explotación de agua subterránea del AVT, en los próximos 50 años se podría alcanzar un déficit de más de 300 %; lo anterior considerando que la disponibilidad del recurso no incrementa, sino que tiende a disminuir ante el aumento de la demanda (Figura 7).

Figura 7 Proyección de la disponibilidad y la demanda de agua subterránea del acuífero del Valle de Tecamachalco en el período 2015-2070. Fuente: ^{Villarreal (2017)}, con algunas modificaciones.