Efectos hidroambientales de la extracción de agua del acuífero del río Sinaloa

Hydro-environmental effects of the extraction of water from the Sinaloa River Aquifer

O Llanes-Cárdenas¹*, M Norzagaray-Campos², Y Maya-Delgado¹, P Muñoz-Sevilla³, FA Beltrán-Morales⁴, B Murillo-Amador¹, E Troyo-Diéguez¹

¹ Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C. (CIBNOR). Mar Bermejo No. 195, Col. Playa Palo de Santa Rita Apdo. Postal 128; La Paz, B.C.S. 23090 México. * Correo electrónico: etroyo04@cibnor.mx

² CIIDIR IPN- Sinaloa. Blv. Juan de Dios Batíz Paredes No. 250. Guasave Sinaloa, C.P 8101.

⁴ Universidad Autónoma de Baja California Sur, Departamento de Agronomía. La Paz, B.C.S.

Recibido: 22 de octubre de 2009
Aceptado: 06 de noviembre de 2011

Resumen

La llanura costera del acuífero del Río Sinaloa es vulnerable a la contaminación antropogénica y natural. Dicho impacto es exacerbado por la condición somera de las aguas subterráneas (0.1 a 9.2 m) y la elevada evapotranspiración (834.32 mm año⁻¹), no balanceada por la precipitación promedio anual (577.9 mm año⁻¹). Por lo anterior, los objetivos de este trabajo fueron: (1) determinar la vulnerabilidad del acuífero a la contaminación costera y (2) estimar la vulnerabilidad debida a las actividades antropogénicas, en función del aporte del flujo subterráneo. Se aplicó el método estandarizado DRASTIC a una escala 1:10 000 y se determinó la piezometría de la región mediante la información de 155 pozos. Se registraron la profundidad del nivel freático (D), la recarga neta (R), el material del acuífero (A), el tipo de suelo (S), la cota y pendiente del terreno (T), el impacto de la zona no saturada (I), la conductividad hidráulica (C) y la altura de la superficie piezométrica, y se calculó la carga hidráulica. Los resultados muestran una vulnerabilidad valorada de insignificante (Vi) a alta (Va), con un intervalo de variación de 88 a 166 unidades, amortiguada cuando la fuerza del flujo es alta y acentuada cuando la misma amengua. La costa y zona oeste fueron las más vulnerables, con 35 y 8%, e índices de 140 a 166 y 139 a 157. Los altos índices DRASTIC se atribuyeron a la acumulación de solutos arrastrados hacia la costa por un flujo regional y otro intermedio, que atrapan a los mismos en pequeñas cuencas de escaso espesor.

Palabras clave: Vulnerabilidad, contaminación, acuífero, flujo, Índice DRASTIC.

The coastal plain of the Sinaloa River aquifer is vulnerable to anthropogenic and natural pollution. Impacts are increased by the shallowness of the groundwaters (0.1 to 9.2 m) and a high evapotranspiration (834.32 mm year⁻¹) that is not balanced by the annual average rainfall (577.9 mm year⁻¹). According to this scenario, the objectives of this study were: (1) to determine the vulnerability of the aquifer in face of coastal pollution and (2) to estimate the vulnerability as a function of groundwater flow, resulting from anthropogenic activities. The standardized DRASTIC INDEX method was applied at a 1:10 000 scale and the piezometry of the region was determined through the information recorded for 155 wells. The parameters recorded were the depth of the water table (D), the net recharge (R), the aquifer material media (A), the soil type (S), the topography and slope of the land (T), the impact on the unsaturated zone (I), the hydraulic conductivity (C) and the height of the piezometric surface, and the hydraulic head was calculated. The results indicate a vulnerability that varies from insignificant (Vi) to high (Va), with a variation range of 88 to 166 units, mitigated when the force of the aquifer flow is high and accentuated when it is reduced. The coast and the western area were the most vulnerable, with 35 and 8%, and indices of 140 to 166 and 139 to 157. The high DRASTIC indices were attributed to the accumulation of solutes that are transported to the coast by a regional flow and an intermediate flow, which trap them in small basins of reduced thickness.

Key words: Vulnerability, pollution, aquifer, flow, DRASTIC Index.

Introducción

La evaluación de la sensibilidad natural de un acuífero a la contaminación externa o vulnerabilidad hidrogeológica puede realizarse mediante el método DRASTIC, el cual se basa en procedimientos de extrapolación. Es utilizado por expertos en numerosos países para el desarrollo de planes estratégicos, frecuentemente con la finalidad de dar cumplimiento a los objetivos previstos a largo plazo para el manejo sostenible de los recursos naturales (Secunda et al. 1998). Aller et al. (1987) llevaron a cabo por primera vez un análisis DRASTIC en los EEUU a una escala 1:2 000 000; posteriormente la USEPA (1993) utilizó los resultados para analizar plaguicidas en pozos con aguas destinadas al consumo humano. Desde entonces, el método DRASTIC junto con GOD (Foster & Hirata 1988), AVI (Van & Sullivan 1992) y CINTACS (Civita et al. 1991), entre otros métodos desarrollados con la misma finalidad, se han convertido en herramientas útiles para la formulación de planes de protección de las aguas subterráneas. En su mayoría, tales métodos constituyen sistemas estandarizados; específicamente, DRASTIC utiliza escenarios hidrogeológicos con características y atributos de vulnerabilidad comunes a la contaminación, a diferencia de los demás, por ser de moderada complejidad al integrar solamente 7 factores. Es sencillo y aplicable con resultados confiables bajo las condiciones de numerosos acuíferos, como en EEUU (Anónimo 2003), Europa (Lobo-Ferreira & Oliveira 1997), Asia (Sharadghah 2001) y Australia (Piscopo 2001). De acuerdo con los antecedentes expuestos, dicho método se aplicó al acuífero costero del Río Sinaloa, debido a que el mismo ha sido explotado durante años para satisfacer las múltiples actividades en la región, aunque propiciando la explotación excesiva de los recursos naturales (Velásquez et al. 2002). El escenario anterior ha propiciado procesos de erosión y pérdida de fertilidad del suelo,asimismo, la degradación de la calidad del agua y de la vida de los pobladores (Morales & Parada 2005). En este contexto, las elevadas tasas de evapotranspiración, con valores de 834.42 mm año⁻¹, que son mayores a los de la precipitación anual promedio (577.9 mm año⁻¹), han favorecido procesos de desertificación y escasez de agua (Velásquez et al. 2002), toda vez que se presenta un desbalance hidrológico. Dicha condición, aunada a la condición somera de las aguas subterráneas (Norzagaray et al. 2004), torna vulnerable el acuífero a la contaminación.

Por lo anterior, en este trabajo se plantearon los siguientes objetivos: (1) determinar la vulnerabilidad del acuífero a la contaminación costera y (2) estimar la vulnerabilidad en función del aporte del flujo subterráneo regional e intermedio, debida a las actividades antropogénicas. Los resultados obtenidos en una de las regiones agrícolas más importantes de México son de amplia utilidad para el diagnóstico de la vulnerabilidad y para proveer oportunamente de planes de manejo apropiados ante el riesgo que enfrenta este acuífero, ocasionado y exacerbado por las aportaciones contaminantes provocadas por la agricultura, ganadería y desarrollo urbano, entre otras actividades.

Materiales y métodos

La técnica DRASTIC fue aplicada en una superficie de 4500 km² de la llanura costera del Pacífico Mexicano, dentro de las provincia fisiográfica de la Cuenca del Río Sinaloa, la cual abarca una extensión de 8179 km² (Figura 1). La cuenca pertenece a la Región RH10-SINALOA (INEGI 2005); colinda al norte con la Sierra Madre Occidental y al sur con el Golfo de California. En esta zona, el afluente principal es el Río Sinaloa y el acuífero principal es el denominado acuífero Sinaloa. Existen tres afluentes concurrentes de menor caudal, pero relevantes para la hidrología local: los arroyos Cabrera (con caudal de 20 a 25 m³ s⁻¹), Ocoroni (25 a 35 m³ s⁻¹) y San Rafael (15.2 m³ s⁻¹). Dichos cauces aportan al Río Sinaloa un caudal promedio de 150 m³ s⁻¹ destinado al Golfo de California. En infraestructura, el canal del Valle del Fuerte se construyó por los agricultores a finales de la década de los 40's, con el objetivo de satisfacer la agricultura regional del Valle de Guasave (Humphries 1986). Dicho canal conduce en promedio un caudal de 120 m³ s⁻¹ y disecta los sedimentos del acuífero hasta una profundidad de 40 m. El índice DRASTIC (ID) fue calculado mediante la sumatoria del producto existente entre el peso relativo (P) del impacto de la profundidad al nivel freático (D), la recarga neta (R), el material del acuífero (A), el tipo de suelo (S), la pendiente del terreno (T), el impacto en la zona no saturada (I) y la conductividad hidráulica (C) (Pérez & Pacheco 2004; Canter 1997):

Donde:

DpDi, RpRi, ApAi, SpSi, TpTi, IpIi y CpCi fueron los productos del peso relativo por el impacto ocasionado en el acuífero a causa de los factores D, R, A, S, T, I, C. El modelo se aplicó considerando que Civita et al. (1991) caracterizaron a DRASTIC como un modelo con un sistema adecuado de conteo de puntos paramétricos. Dentro de la disponibilidad de programas como GRID: ARC/INFO, SURFER y otros SIG, en los cuales se procesan datos como herramienta espacial, seleccionamos el programa SURFER 8.0 para elaborar los mapas de cada factor a una escala 1:10 000.

Con la finalidad de obtener D y T en campo con un GPS portátil GARMIN Olathe de 12 canales, 155 pozos fueron elegidos al azar, los cuales fueron localizados y posicionados en coordenadas UTM. Para determinar D con una "sonda de nivel", se realizó una piezometría instantánea de 3 días. La cota de la superficie del terreno (h) para obtener T se determinó mediante la técnica de "arrastre" con un teodolito electrónico APEX modelo ET-5 de desviación estándar (s) 0.05. En virtud de que la empresa Técnicas Modernas de Ingeniería (TMISA 1978) reveló que la mayoría de pozos se sitúan en un acuífero libre, dicha información proporcionó la suficiente certeza metodológica para aplicar DRASTIC, ya que previamente se han cartografiado unidades hidrogeológicas con hidrodinámicas similares (Martínez et al. 1998).

Al considerar que en un acuífero libre la carga hidráulica (H) corresponde a la altura del nivel freático sobre un nivel de referencia, en este caso el nivel del mar, dicha información es de utilidad para el cálculo de H en cada pozo, restando D a h (Serway & Jewett 2005). Para obtener el mapa piezométrico, las cargas se interpolaron en SURFER 8.0 bajo el sistema de Krieger (Emery 2007); a su vez, las direcciones del flujo subterráneo se definieron de manera perpendicular a las isopiezas (Hiscock 2005). Los factores A e I se determinaron usando 12 columnas estratigráficas en los pozos y la interpretación de 23 registros geofísicos eléctricos, 456 sondeos eléctricos Verticales y 751 mediciones electromagnéticas realizadas en el área de estudio por Norzagaray (2003). Los factores R, C y S se obtuvieron respectivamente de bibliografía existente en el área (Valle 2002; Norzagaray et al. 2004; Llanes-Cárdenas 2007). Una vez cartografiados los factores, se apilaron los mapas a P e I sobre la traza urbana de la región y se elaboró una malla de 150 celdas (15 × 10) correspondiente a 30 km² c/u (4 km de largo y 7.5 km de ancho) (Figura 1).

Según los criterios de Aller et al. (1987), a cada celda se asignó un valor de p considerando la contribución a la contaminación. Dicho valor fluctuó de 5 a 1 y la ponderación de cada factor se elaboró bajo la siguiente propuesta: R, A, S y C, por no ser factibles a la modificación en un mediano o largo plazo, tuvieron un P de 3 unidades y representaron en el ID el 57.14 %; por ser sensibles al cambio, D e I representaron en el ID un 28.57 % y un P de 5 y 4 unidades, respectivamente. Por ser menos factibles a modificaciones, T representó en el ID un 14.28 % y un P de 2 (Tabla 1). Para la interpretación del ID, y con la finalidad de definir la sensibilidad natural del acuífero a la carga de contaminantes o vulnerabilidad hidrogeológica, se aplicaron los siguientes intervalos:

Resultados

El promedio de la profundidad al nivel freático (Nf)fue de 3.59 m, con un intervalo de variación de 0.1 a 9.2 m; el 15.3 % de los pozos registraron un Nf menor a un msnm, el 24 % de 1.1 a 2 m, el 20 % de 2.1 a 4 m, el 28 % de 4.1 a 6 m y el 12.7 % restante mostraron Nf mayores a 6.1 m.

Con excepción de la protuberancia de la serranía del Tetameche, ubicada al noroeste de la región, donde se registró una altura promedio de 194.2 msnm, el promedio de la altura del terreno donde se ubicaban los pozos (h) alcanzó 34.7 msnm, con intervalo de variación de 4 a 85 msnm. Para el 14 % de los pozos, h fue menor a 10 msnm, para el 32 % varió de 11 a 20 msnm, en el 17.3 % varió de 20 a 40 msnm, para el 15.3 % h osciló de 40 a 60 msnm y para el 21.3 % h fue mayor a 60 msnm.

El promedio de la carga hidráulica (H) en el acuífero alcanzó 33.76 y fluctuó de 2.9 a 81.8 msnm; en el 16.7 % de los pozos H fue menor a 10 msnm, en el 14 % H osciló de 10 a 15 msnm, en el 22 % varió de 15 a 35 msnm, en el 34 % de 35 a 60 msnm y en el 13.3 % de los pozos H fue mayor a 60 msnm (Figura 2, A).

En la Figura 2, B se observa que la profundidad del Nf y H presentan variaciones que pueden interpretarse como una señal de agotamiento. Una vez realizado el análisis numérico de la información, se ubicó el comparativo entre las tendencias de las curvas de h y H; al tratarse de un acuífero libre, muestran morfologías relativamente similares entre sí (Figura 2, B). Lo anterior se demostró mediante el resultado de ANOVA con un valor de F = 1.2312 al que le correspondió un valor de p de 0.99, con nivel de significación de 0.01; concluyendo que no existen diferencias significativas entre las medias de h y H. A su vez, el análisis grupal del ANOVA también sugirió una diferencia no significativa según Tukey entre h y H de 0.0516, encontándose de igual forma similitud estadística entre Nf y h con 99%, entre Nf y H con 97% y entre h y H con 99% de confiabilidad.

La asociación numérica entre las curvas de H con h y Nf con h se rige respectivamente por un coeficiente de determinación (R²) de 0.951 y 0.944. Dicha aproximación se describe mediante una expresión cuadrática de segundo orden del tipo: ax²+bx+c, donde a, b y c son constantes que definen la morfología. Las constantes de la profundidad de H y Nf fueron a = −0.0059 y −0.0022, b = 1.3327 y 0.1124, y c = −0.8444 y 0.1299, respectivamente (Figura 2, B).

Discusión

El mapa piezométrico (Figura 3, Sección A) muestra una piezometría paralela en la costa a profundidades de 5 msnm, por efecto de la captación de agua producto del flujo y los abatimientos. Por su parte, se identificaron dos direcciones del flujo según los principios de Tóth (2000): una principal o regional con orientación Noroeste-Suroeste y una intermedia también con dirección Noreste-Suroeste, desde los pies de monte de las serranías bajas de la cuenca. La corriente regional ingresa a la llanura en la superficie piezométrica con una profundidad de 65 msnm y de manera concurrente desde la superficie, y de 10 a 25 10 msnm. Dicha corriente se retroalimenta por las infiltraciones del Canal del Valle del Fuerte para continuar hacia su destino final, el Golfo de California. Parte de los volúmenes regionales de la región hidrológica RH10-SINALOA corresponden a un estimado de 3473.73 Mm³ (M:millones) procedentes del estado de Chihuahua, reportados por Toutcha & Sosa-Soto (2005). La corriente intermedia procede desde la superficie piezométrica de 60 msnm del este de la región, alimentando al Arroyo San Rafael y al Río Sinaloa. Durante mucho tiempo los flujos regional e intermedio han impedido que la intrusión salina ingrese a la llanura (TMISA 1978; Manson 2007) y han amortiguado sus efectos anómalos. A pesar de esta protección natural del acuífero, la hidrodinámica costera actual se encuentra alterada y se refleja en las distintas direcciones que toma el flujo, además de la evidente presencia de un cono de abatimiento de 0.9 msnm (Figura 3, B).

La tendencia actual de la hidrodinámica manifiesta un desarrollo fuera de control, debido a los requerimientos de los volúmenes de agua comprometidos al sector productivo, de hasta 1131.03 Mm³ año⁻¹ (SEMARNAT 2006), muy por arriba de la recarga anual (510.46 Mm³ año⁻¹) identificada para la Subregión de Planeación Norte del Estado de Sinaloa (PEDUES 2007). De dicho volumen le corresponden al acuífero del Río Sinaloa entre 200 y 300 Mm³ año⁻¹.

Las demandas en su mayor parte se deben a la agricultura, lo cual ya es histórico. Lo anterior se registra desde 1967 con extracciones de 430 Mm³ año⁻¹ contra una recarga del flujo regional e intermedio de 230 Mm³ año⁻¹. A su vez, en 1968 las extracciones fueron de 130 Mm³ año⁻¹ contra una recarga del flujo regional e intermedio de 200 Mm³ año⁻¹ y posteriormente, en 1977 las extracciones se incrementaron hasta 500 Mm³ año⁻¹ (TMISA 1978). Por el momento, el acuífero no presenta índices ID muy altos ni extremos, en tanto que registra un promedio de 133.60 unidades. Presenta un intervalo de variación de 88 a 166 unidades, los cuales corresponden a valores de vulnerabilidad desde insignificante (Vi) hasta alta (Va). De las 150 celdas en las que se dividió la traza urbana, 8 registraron un ID insignificante (5.3 %), 24 muy bajo (16 %), 54 bajo (36 %), 56 moderado (37 %) y 8 con ID alto (5.3 %) (Tabla 2). La mencionada variación espacial de ID se ilustra en la Figura 4, en donde a los valores elevados de lD se muestran en sectores aislados de la costa y en la Serranía del Tetameche, en tanto que los valores no significativos se presentan cerca de las riveras de los arroyos de Ocoroni, de Cabrera y el Río Sinaloa, principalmente.

En la mayor parte de la porción costera en estudio, se determinó un ID entre 140 y 166 unidades, valores que corresponden a una vulnerabilidad Vma a Va. Al comparar el ID y la dirección del flujo subterráneo de la Figura 4 (Sección B), se observa que el ID disminuye en lugares donde la fuerza del flujo aumenta debido a la hidrodinámca regional, lo cual ocurre en las riveras de los arroyos de Ocoroni, de Cabrera, San Rafael y el Río Sinaloa, sucediendo lo contrario cuando la fuerza del mismo flujo amengua. Por tal razón, 65 % de los valores estimados como Vi, Vmb y Vb se ubican cercanos a los afluentes importantes (Figura 5), toda vez que son producto de la fuerza del flujo regional y de la unión de los flujos regional e intermedio cuando tienen las condiciones apropiadas para la atenuación de la carga contaminante.

Los flujos referidos, al relacionarse con la composición granulométrica, textura, porcentaje de materia orgánica y características geomorfológicas de la zona saturada, ocasionan que el ID disminuya. Tal amortiguación, indicativa de la protección natural del acuífero a la contaminación, no se presenta cerca del cauce del arroyo de Cabrera, lo que se atribuye a que la corriente intermedia no tiene la suficiente fuerza para atenuar los ID. Caso contrario sucede con la corriente regional, que al unirse con la corriente intermedia entre las superficies piezométricas de 20 a 50 msnm, incrementa su fuerza y con ello participa en una sinergia hidrogeológica natural con las propiedades naturales del acuífero para su protección. Por debajo de los 20 msnm de la superficie piezométrica producto de las extracciones de agua, se manifiestan cambios en las direcciones del flujo, por lo que su fuerza se dispersa haciendo vulnerable la costa.

Por lo anterior, puede inferirse que el potencial de contaminación del acuífero es en función de la interacción entre el tipo, intensidad, disposición y duración de la carga contaminante, de la vulnerabilidad del acuífero, de las características físicas y químicas del acuífero y asimismo de la naturaleza del flujo regional e intermedio. De los siete factores, R fue el de mayor grado de incertidumbre debido a la escasez de información, por lo que se tuvo que trabajar con datos disponibles escasos.

En virtud de que los mapas de vulnerabilidad son una guía para los tomadores de decisiones, lograrlos representa un trabajo que debe realizarse con la debida precaución, por lo que se requiere estar informado de nuevas herramientas metodológicas que simulen con mayor exactitud y precisión el entorno geohidrológico.

Dado que DRASTIC es uno de los métodos más viables para el diseño de estrategias y políticas de protección y conservación de los recursos subterráneos, su uso resulta de suma utilidad, como en este caso cuya aplicación se realizó posterior al trazo del mapa de vulnerabilidad (Figura 5). Se sugiere que se realicen programas de muestreo y medición continua que actualicen la presente documentación y asimismo, que contemplen factores adicionales de importancia local y regional, tanto humanos como ambientales, relacionados con contaminantes específicos. Lo anterior a fin de aplicar nuevas herramientas que incluyan las geo-formas existentes, incorporándolas desde la superficie. Una herramienta metodológica sería el índice AVI (Aquifer Vulnerability Index) creado por Van & Sullivan (1992), para cuantificar la vulnerabilidad natural por medio de la resistencia hidráulica vertical al ocurrir el proceso de infiltración de agua por la zona no saturada. Otro método es el índice SINTACS (soggiacenza, infiltrazione, non saturo, tipología de lla cobertura, acquifero, conducibilità, superficie topográfica) desarrollado por Civita & Maio (2000), que aunque se trata de un método con una estructura compleja y que requiere un mapeo a mayor detalle, también contempla en los factores de vulnerabilidad la incidencia del agua superficial y el uso del suelo. De acuerdo al cono de abatimiento de la costa, el acuífero ya presenta zonas de alta y moderada "potencia" (vulnerabilidad) natural a la contaminación, por lo que es poco probable que dichos valores se atenúen; incluso pueden acentuarse de no ocurrir cambios en las prácticas de cultivo y riego. Es evidente la necesidad de fomentar el fortalecimiento de una cultura ambiental, de tal manera que se difundan estrategias adecuadas para proteger el flujo regional e intermedio, que son la fuerza motriz de la atenuación de procesos como la degradación de la calidad y la desertificación. Es urgente iniciar el manejo adecuado de este acuífero, porque al igual que en otros casos que deben resolver la vulnerabilidad que enfrentan en México, los resultados demuestran y confirman que la mayor vulnerabilidad a la contaminación del agua subterránea se encuentra en la zona costera (Pérez & Pacheco 2004).

Agradecimientos

Se agradece a los profesionales y estudiantes del CIIDIR-IPN Sinaloa (Guasave, Sinaloa) y del CIBNOR (La Paz, B.C.S.) que participaron en las distintas etapas de la ejecución de este trabajo. Al CONACYT por el apoyo económico brindado al CIIDIR Sinaloa y al CIBNOR SC, mediante el proyecto 134460 "Determinación y construcción de indicadores de la huella hídrica y desertificación como consecuencia de la sobreexplotación agropecuaria y del cambio climático en cuencas" clave interna 180 C. Asimismo, a la CONAGUA Delegación en Sinaloa y Organismo de Cuenca Pacífico Norte, Culiacán, Sin.

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