3.1. MÉTODOS

Los valores de recarga potencial y otras componentes del balance de agua en el subsuelo fueron generados por ^{González-Ortigoza et al. (2023)} para la Cuenca de México (CM) en el periodo del 2001 al 2021 a escala diaria. Esta información fue generada utilizando el modelo Soil Water Balance (SWB) versión 2 del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS; ^{Westenbroek et al., 2018}), el cual es un modelo hidrológico conceptual distribuido a escala diaria, el cual requiere de información climatológica (precipitación, temperatura), topográfica (dirección de flujo superficial), usos de suelo y tipos de suelo, entre otros.

La estructura del modelo con los módulos implementados en la simulación de la CM se muestra en la Figura 2, en donde se considera una capa con espesor de dos metros correspondiente a la zona no saturada, y el flujo de agua que se percola de esa capa se considera como recarga potencial. La simulación de la recarga real queda fuera de las capacidades del modelo SWB, y en los siguientes capítulos se indican algunas de las dificultades en la estimación de esta variable. Por otro lado, el modelo SWB simula la evapotranspiración potencial a partir de modelos simplificados basados en la radiación y temperatura del aire, como ^{Jensen y Haise (1963)} y el de ^{Hargreaves y Samani (1985)}, que se han encontrado adecuados cuando no existe la información climatológica y atmosférica suficiente para implementar el modelo de FAO-56 Penman-Monteith (^{Peng et al., 2017}; ^{Valipour, 2015}). Finalmente, la evapotranspiración real, que considera la cantidad de humedad del suelo que regresa a la atmósfera como vapor de agua, es calculada en el modelo SWB como la evapotranspiración potencial multiplicada por la fracción de la humedad del suelo respecto a la capacidad de humedad del suelo (Figura 2b).

Figura 2 a) discretización espacial y b) estructura del modelo conceptual del USGS Soil Water Balance, basado en la estructura mostrada por ^{Westenbroek et al. (2018)}. 

El modelo fue calibrado a partir de datos de escurrimiento mensual de estaciones hidrométricas en dos subcuencas dentro de la CM para un periodo del 2001 al 2013, y a partir de datos de evapotranspiración real anual obtenidos con las ecuaciones empíricas de ^{Coutagne (1949)} y ^{Turc (1961)} usando datos de las estaciones climatológicas del Servicio Meteorológico Nacional para el periodo del 2000 al 2016; así como de datos de evapotranspiración de las misiones satelitales Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS; ^{Mu et al., 2011}), y Global Land Evaporation Amsterdam Model (GLEAM; ^{Martens et al., 2017}) para el periodo 2000 a 2020.

3.2. BASE DE DATOS

La base de datos de simulaciones de ^{González-Ortigoza et al. (2023)} incluye datos de precipitación, evapotranspiración potencial, evapotranspiración real, infiltración y recarga potencial resultado de las simulaciones con el modelo SWB a partir de una combinación de fuentes de información in situ y otros datos obtenidos de sensores remotos y modelos globales (Tabla 1), de tal manera que se cuenta con cuatro combinaciones de información:

3.3. DESARROLLO DE LA PLATAFORMA BM-RECHARGE

Estas variantes de las simulaciones se generaron a una escala espacial de 500x500 m², pero para propósitos de la construcción de la plataforma BM-Recharge se promediaron espacialmente en una malla de 5x5 km², a escala de acuíferos administrativos, y a escala de zonas hidrogeológicas, tal y como se presenta en la Figura 1. Adicionalmente, las simulaciones generadas a escala diaria se agregaron a escala mensual y anual. La malla de 5x5 km² fue construida para simplificar el proceso de consulta y visualización de los datos, reducir el cómputo requerido para la visualización, además, para remover valores atípicos que se suelen presentar en modelaciones del balance de agua a alta resolución espacial debido a factores como la acumulación de flujo en ríos, acumulación de agua en depresiones y en zonas planas, lo cual se detalla en el trabajo de ^{González-Ortigoza et al. (2023)}.

Finalmente, se diseñó la plataforma BM-Recharge para poder visualizar y descargar de manera interactiva y sencilla las bases de datos antes mencionadas, con una estructura general como muestra en la Figura 3. BM-Recharge fue construida con herramientas de código abierto, como son Python en su versión 3.10 (^{Van Rossum y Drake 2009}) y las librerías de Pandas (^{Hayden et al., 2022}) para el análisis de datos tabulares, Plotly y Dash (^{Hossain, 2019}) para la generación de gráficas interactivas y desarrollo de plataformas web. La plataforma utiliza dos bases de datos, una espacial para la consulta de mapas, y otra temporal para la consulta de series, las cuales han sido almacenadas en archivos separados por comas a partir del procesamiento de los archivos NetCDF generados por el modelo SWB. Estas bases de datos son consultadas y procesadas con la librería Pandas para la agregación temporal o para la selección de los elementos seleccionados en el mapa. La librería de Plotly ha sido utilizada para la generación de todas las figuras de la plataforma, mientras que la librería Dash controla la parte interactiva cuando se detectan cambios en la plataforma. BM-Recharge incluye un tutorial extenso para los usuarios y se puede acceder a ella desde el link: bm-recharge.ingenieria.unam.mx.

Figura 3 Estructura de la plataforma BM-Recharge. 

4.1. BALANCE HÍDRICO EN LA CUENCA DE MÉXICO

La cuenca muestra un índice de aridez (IA=evapotranspiración potencial / precipitación) de ~ 0.5 que la clasifica como seco-subhúmedo (UNEP, 1992), sin embargo, las zonas montañosas son clasificadas como húmedas con valores del IA mayores a 0.65. En general, la evapotranspiración real ronda los ~530 mm/año, que representa el ~77% de la precipitación media anual en la cuenca (Tabla 2). Por su parte, el escurrimiento representa el ~17% de la precipitación anual, y la recarga potencial el ~6%. Considerando la división de zonas geográficas, se observa que, en general, la evapotranspiración real (Et) tiende a ser mayor en las serranías, con valores que se acercan o superan los 600 mm/año, mientras que, en los valles la Et media anual tiende a ser menor a 500 mm/año.

Una limitante importante en estos resultados es que en la implementación del modelo SWB no se ha incluido el funcionamiento del drenaje urbano y los volúmenes de pérdidas por fugas en la red de abastecimiento de agua potable (^{González-Ortigoza et al., 2023}), por lo que en el área urbana, el balance hidrológico podría presentar variaciones, por ejemplo, la evapotranspiración en el área urbana debería ser más bien despreciable debido a que el agua viaja por el drenaje profundo y no permitiría altas tasas de evaporación. A escala anual, los periodos más húmedos para la CM corresponden a los años 2003, 2004, 2016, 2018 y 2021, con precipitaciones mayores a los 760 mm (Figura 4). Por otro lado, los años más secos en la cuenca corresponden al 2005, 2008, 2010, 2012 y 2020, con precipitaciones anuales menores a 615 mm. Para el caso de la recarga potencial, el año con el mínimo valor estimado fue en 2015, con apenas 7 mm a escala de la cuenca. La evapotranspiración real sigue la tendencia anual de la precipitación, mostrando un coeficiente de correlación mayor a 0.95, mientras que la recarga potencial presenta un Coeficiente de Correlación de Pearson del 0.8 respecto a la precipitación anual.

Figura 4 Balance hídrico anual en la Cuenca de México. Se utilizaron los Datos de Entrada 4 de la plataforma BM-Recharge. 

Para el periodo de 2001 al 2021, la precipitación en la cuenca ha mostrado un incremento de 3.8 mm/año y la evapotranspiración potencial un decremento de 4 mm/año; mientras que la evapotranspiración real presentó un decremento de 2.5 mm/año y la recarga potencial un incremento de 0.38 mm/año. Es decir, las pérdidas por evapotranspiración se acercan al incremento de la precipitación, mientras que la recarga potencial permanece con pocos cambios. Por otro lado, considerando el periodo de 1981 al 2021, la precipitación anual presenta un incremento de apenas 0.9 mm/año, con zonas como los acuíferos Zona Metropolitana de la CDMX y Chalco - Amecameca presentando decrementos de 1.1 y 0.2 mm/año, respectivamente.

4.2. CARACTERIZACIÓN DE LAS ZONAS DE RECARGA DE AGUA SUBTERRÁNEA

La distribución espacial de la recarga potencial sugiere que en las partes altas de la CM se percibe la mayor precipitación y percolación, con valores estimados por arriba de los 100 mm incluso en años secos como el 2005 (Figura 5). Por otro lado, en los valles la recarga potencial se reduce en un orden de magnitud, llegando a presentar valores estimados por debajo de los 10 mm por año, que representan menos del 4% de la precipitación anual, mientras que en el área urbana la recarga potencial es despreciable.

Figura 5 Comparación de la precipitación, recarga y tasa de recarga respecto a la precipitación para un año húmedo (2003) y año seco (2005). Se utilizaron los Datos de Entrada 4 de la plataforma BM-Recharge. 

Las áreas de mayor recarga potencial corresponden a las zonas altas del sur y suroeste de la CM, en donde, a escala de pixeles, la recarga anual estimada puede superar una lámina equivalente de 300 mm y representar más del 25% de la precipitación anual, como se observa en las serranías de las Cruces y Chichinautzin (Figura 5). A escala de zonas hidrogeológicas (Figura 1), estas serranías presentaron las mayores tasas de recarga potencial anual durante el periodo del 2002 a 2004 (Figura 6), con valores de ~280 mm (~5 m³/s) en la Sierra de las Cruces y ~180 mm (~4 m³/s) en la Sierra de Chichinautzin, que en conjunto representaron cerca del 50% del volumen de recarga potencial en ese periodo cubriendo apenas el ~15% del área de la CM.

Figura 6 Evolución anual a escala de zona hidrogeológica de a) precipitación, b) recarga potencial, c) tasa de recarga respecto a la precipitación. Se utilizaron los Datos de Entrada 4 de la plataforma BM-Recharge. 

La Sierra Nevada, al sureste de la cuenca, corresponde a otra área de recarga potencial importante que suele ser ignorada debido a la falta registros de estaciones climatológicas. Esta serranía presenta en promedio 100 mm de precipitación anual por debajo de la Sierra de Chichinautzin, pero los valores de la recarga potencial anual son similares en varios años (Figura 6).

A escala de acuíferos administrativos, los acuíferos Chalco - Amecameca y Zona Metropolitana de la Ciudad de México son los que perciben las mayores láminas de recarga potencial anual con ~75 mm/año (~2 m³/s/año) y ~70 mm/ año (~4.3 m³/s/año), respectivamente (Tabla 2 y Tabla 3). Los años de mayor lámina de recarga potencial anual para estos acuíferos se presentaron en el 2006 para Chalco - Amecameca con casi 150 mm (~4 m³/s), y en el 2021 para el acuífero de la Zona Metropolitana de la Ciudad de México con cerca de 160 mm (~6.5 m³/s). Por su parte, el año con la menor tasa de recarga se presentó en ambos casos en el 2015, con ~7 mm (~0.18 m³/s) y ~14 mm (~0.85 m³/s), respectivamente.

Le siguen en importancia los acuíferos Soltepec y Tecocomulco, que aportan una lámina promedio de recarga potencial anual de ~62 mm/ año (~1.6 m³/s/año) y 60 mm/año (~0.9 m³/s/ año), respectivamente, aunque por su extensión, el acuífero Cuautitlán - Pachuca aporta un flujo promedio anual de 2 m³/s/año que representa una lámina de recarga de ~20 mm/año (~4% de precipitación media anual del acuífero).

Al comparar las láminas de recarga por litología superficial en la CB se puede apreciar que a pesar de que los depósitos aluviales suelen tener altas permeabilidades, en el caso de la cuenca, estos depósitos se localizan en los valles que presentan poca precipitación, altas tasas de evaporación real y se encuentran intercalados con arcillas que limitan la recarga potencial, tal y como se observa en la Tabla 3, en la cual se aprecia que la recarga potencial representa en promedio menos del 3% de la precipitación.

Por su parte, la andesita, andesita-dacita y basalto-andesita son las rocas que presentan las mayores láminas de recarga potencial y que llegan a mostrar más del 10% de la precipitación anual. Esto se debe principalmente a que este tipo de rocas conforman a las serranías al sur de la CM. Esto resalta la importancia de las serranías para la CM y la Ciudad de México como fuentes de agua importantes para la preservación de los acuíferos, sin embargo, se desconoce si realmente la recarga potencial atraviesa estos estratos a través de fallas y fracturas, o si la recarga potencial en las serranías termina aportando agua a las zonas de bombeo en los valles.

5.1. LIMITACIONES DE LA PLATAFORMA BM-RECHARGE

El uso de plataformas web de acceso abierto se ha hecho cada vez más frecuente en los últimos años, incorporando modelos para calcular el balance de agua en acuíferos (^{Danielescu, 2022}), para estimar las propiedades hidráulicas de acuíferos (^{Hernández-Espriú et al., 2018}), para analizar cambios en los niveles de agua subterránea (^{Evans et al., 2020}), así como la visualización de datos en tiempo real a gran escala (^{USGS, 2024}).

En este trabajo presentamos la plataforma BM-Recharge, una plataforma abierta para la consulta, visualización y descarga de la recarga potencial y otras componentes del balance de agua en la CM. La plataforma es interactiva e intuitiva, y permitió analizar la información de manera sencilla. No obstante, existen áreas de mejora, como la actualización automática de los datos para incluir años recientes, así como la incorporación de otras herramientas de consulta de datos que simplifiquen al usuario el análisis de información. Los datos mostrados en la plataforma han sido generados a partir de un modelo numérico del balance de agua que requiere de una gran cantidad de información para ejecutarse, en donde mucha de esta información ha sido derivada de percepción remota satelital. Además de la incertidumbre en los datos de entrada, la estructura del modelo SWB ha sido establecida para cubrir los casos más generales del balance de agua, por lo que los resultados se podrían mejorar si se desarrolla un modelo específico que considere las características hidrológicas e hidrogeológicas de la Cuenca de México.

Otro aspecto para mejorar es la calibración del modelo, ya que se tuvo información de sólo dos estaciones hidrométricas para comparar la capacidad de generación de escurrimiento superficial y no se contó con información de estaciones Eddy Covariance para validar las estimaciones de evapotranspiración. Las estimaciones de escurrimiento en la zona oeste (en la Sierra de las Cruces) tuvieron mayor similitud respecto a los datos observados, no obstante, a los datos observados de las estaciones hidrométricas se les aplicó un filtro para separar el escurrimiento superficial del gasto base para la comparación con el escurrimiento superficial simulado, lo cual afectó al proceso de calibración. De las ecuaciones empíricas utilizadas para el cálculo de la evapotranspiración real para la validación de las simulaciones, el trabajo de ^{Birkle et al. (1996)} sugiere que la ecuación de Coutagne es más apropiada para la Cuenca de México, mientras que la ecuación de Turc puede llegar a generar subestimaciones de hasta el 20%. En este sentido, los valores de la evapotranspiración real obtenidos con el modelo se encuentran entre las estimaciones con la ecuación de Turc y Coutagne (^{González-Ortigoza et al., 2023}).

Información hidrológica, hidrogeológica, geológica, topográfica, entre otras, que podrían mejorar la interpretación de los resultados de recarga potencial, se agregarán en un futuro a la plataforma, ya que se están evaluando las capacidades y limitaciones de las librerías de visualización implementadas. Sin embargo, todos los resultados que muestra la plataforma se pueden descargar para incorporarse con algún Sistema de Información Geográfica.

A pesar de estas limitantes, BM-Recharge representa una de las pocas plataformas de acceso a variables hidrológicas e hidrogeológicas que pueden ser aprovechadas por especialistas, tomadores de decisiones y la población interesada en conocer la situación de los recursos hídricos en la CM. Futuras actualizaciones de la plataforma podrían incluir la solución a las limitaciones antes mencionadas y se podrían agregar nuevas características en función de las necesidades de los usuarios.

5.2. LIMITACIONES DE LOS DATOS DE RECARGA POTENCIAL

La falta de representación del funcionamiento del drenaje urbano en los procesos hidrológicos en la construcción del modelo SWB fue una limitación dentro de la construcción de la plataforma, lo cual está asociado con una sobrestimación de la evapotranspiración y subestimación del escurrimiento en la Zona Metropolitana de la Ciudad de México (ZMCDMX). Estudios previos en acuíferos de la CM han incluido información del drenaje urbano para ponderar la capacidad de recarga potencial (^{Ávila-Carrasco et al., 2023}), pero pocos o nulos trabajos de acceso abierto están disponibles en los que se analice el modelado conjunto de los procesos hidrológicos y el drenaje urbano. Además, la plataforma BM-Recharge muestra resultados de la recarga potencial debida a factores climáticos, usos de suelo y tipos de suelo. La recarga por retorno de riego o la inducida por las pérdidas en el sistema de abastecimiento de agua y/o drenaje urbano no han sido determinadas. Incluir estas componentes podría modificar las estimaciones principalmente en los valles.

Por otro lado, se ha establecido que la recarga real se requiere para evaluar el balance de agua subterránea, mientras que la recarga potencial representa el agua que eventualmente podría llegar a la zona saturada para convertirse en recarga real. La estimación de la recarga real ha quedado fuera de este trabajo debido a la complejidad de estimarla, para lo cual se requiere conocer la estructura geológica (como las fallas y fracturas), conocer propiedades hidráulicas de la zona no saturada, tener datos continuos de niveles en pozos, e incluso contar con información química del agua para conocer el tiempo de traslado desde la superficie del terreno hasta la zona saturada. En futuras actualizaciones de la plataforma BM-Recharge se podrán agregar aproximaciones de la recarga real en los acuíferos, sin embargo, los valores actuales de la recarga potencial pueden servir de indicadores para conocer el potencial de recuperación natural del nivel del agua en los acuíferos.

Finalmente, incorporar más y mejor información al proceso de simulación y calibración del modelo SWB podría reducir la incertidumbre en las estimaciones de las componentes del balance hídrico.

5.3. IDENTIFICACIÓN DE ZONAS DE RECARGA POTENCIAL

Las potenciales zonas de recarga de agua subterránea en la Cuenca de México (CM) han sido estudiadas en investigaciones previas (^{Ávila-Carrasco et al., 2023}; ^{Palma-Nava et al., 2022}; ^{Carrera-Hernández et al., 2008}), y la comparación de las tasas de recarga potencial en BM-Recharge contra esos estudios han sido discutidos por ^{González-Ortigoza et al. (2023)}, resaltando diferencias de los valores de recarga entre los estudios que utilizan modelado del balance de agua (^{Carrera-Hernández et al., 2008}) y métodos de ponderación de la lluvia (^{Ávila-Carrasco et al., 2023}; ^{Palma-Nava et al., 2022}).

Las zonas de mayor recarga potencial corresponden a la Sierra de las Cruces y Sierra de Chichinautzin, que intersectan la extensión del acuífero administrativo Zona Metropolitana de la Ciudad de México. Los reportes técnicos de la ^{CONAGUA (2023b)} muestran una lámina equivalente de recarga de ~23 mm/año (45 hm³ o ~1.4 m³/s) para este acuífero, que representa el ~2.7% de la precipitación. Comparado contra una lámina equivalente de recarga de ~70 mm (~4.3 m³/s) y que representa el ~8% de la precipitación anual, obtenida de la plataforma BM-Recharge con la configuración de Datos de Entrada 4 (Tabla 2).

Un punto importante para aclarar es en ^{CONAGUA (2023b)} no se indica el año de la estimación de la recarga, y como se aprecia en la Figura 7, la recarga potencial varía en el tiempo.

Figura 7 Evolución anual a escala de acuífero administrativo de a) precipitación, b) recarga potencial, c) tasa de recarga respecto a la precipitación. Se utilizaron los Datos de Entrada 4 de la plataforma BM-Recharge. 

Por otro lado, la Sierra Nevada forma parte del acuífero Chalco - Amecameca (Figura 1), sin embargo, en el reporte de la ^{CONAGUA (2023a)} se sugiere que este acuífero no presenta recarga natural debido a que se encuentra formado de un gran espesor de arcilla que limita la infiltración y la percolación, con referencia a la zona del valle. Con información satelital de precipitación se estima que la Sierra Nevada podría ser una zona importante de recarga equiparable a la Sierra de Chichinautzin.

Otros estudios y más información son requerida para analizar si esta percolación alcanza al acuífero en estratos profundos.