vol. 4 núm. 2 Naturaleza y Desarrollo julio-diciembre 2006 Sistema para la recarga del manto freático en una comunidad del Distrito de Tlacolula, Oaxaca, México Manuel Dino Aragón-Sulik, Valentín Juventino Morales-Domínguez y Tertuliano Caballero-Aquino CIIDIR Unidad Oaxaca IPN, Hornos 1003, Sta. Cruz Xoxocotlán, Oaxaca, México, CP 71230 E-mail: maragon@ipn.mx Resumen En la mayoría de las comunidades de los Valles Centrales de Oaxaca, existe una demanda hídrica que es creciente, y ésta ha empezado a afectar los mantos acuíferos de la región. El CIIDIR Oaxaca participa en la búsqueda de nuevas alternativas para mejorar la recarga de los mantos freáticos, y en convenio con la comunidad de Santa Cruz Papalutla, Oaxaca, se realizaron los trabajos necesarios de mecánica de suelos e hidrología, y se aplicaron técnicas constructivas para mejorar la recarga natural de ese lugar. Se construyó un sistema de recarga que se adecuó a las características propias del subsuelo, y a las del régimen de flujo del arroyo Grande. Este sistema permite desviar una parte del flujo superficial y subsuperficial que anteriormente se perdía. El sitio presenta suelos arenosos con conductividades hidráulicas que varían de 9.36Ex10-9 a 2.45Ex10-5 ms-1. Debido al proceso lento inherente a la recarga, este sistema se encuentra en evaluación. Palabras clave: infiltración, escurrimiento superficial, presa subterránea. Abstract In most of the communities of Central Valleys of Oaxaca exist a demand for water that is growing and begins to affect the aquifers of the region. CIIDIR Oaxaca, a branch of National Politechnic Institute of Mexico, participates searching for new alternatives to improve the groundwater recharge, and in agreement with the community of Santa Cruz Papalutla, Oaxaca, the necessary studies of soils mechanics and hydrology were carried out; Constructive techniques were also applied to improve the natural recharge in that place. A recharge system was built and adapted to the characteristics of the underground, and the flow regime of the Arroyo Grande community. The system has allowed deviate the superficial and subsuperficial flow that formerly was lost. The place displays sandy grounds with hydraulic conductivities that vary of 9.36Ex10-9 to 2.45Ex05-5 ms-1. Due to the slow inherent process of the aquifer recharge this system is presently under evaluation. Key words: infiltration, surface runoff, underground dam. Introducción El incremento en la demanda de agua, las variaciones climáticas (calentamiento global), así como la pérdida en la calidad de las fuentes superficiales en las comunidades de Oaxaca, actualmente ponen en riesgo el aprovechamiento de las fuentes hídricas subterráneas. En el Valle de Oaxaca, la profundidad al nivel freático cada año es mayor, lo cual se demostró en investigaciones realizadas por el CIIDIR-Oaxaca con abatimientos hasta de 80 cm anuales no recuperables (Belmonte et al., 2001). En este escenario, se requieren mecanismos que mejoren la recarga natural, la cual se ve afectada aún más, por la deforestación y el desarrollo urbano (Carrasco, 1999). Para los Valles Centrales de Oaxaca con una precipitación promedio anual de 615 mm calculada con el registro histórico de estaciones climatológicas cercanas (IMTA, 1999), los cambios ambientales incrementaron los volúmenes del proceso de escurrimiento superficial, lo que origina que el río Atoyac tenga tránsitos de avenidas con gastos mayores en tiempos relativamente cortos, y esto no da oportunidad a que se realice el proceso de recarga debido solamente a la percolación del río (Aragón et al., 2003). 17 Manuel Dino Aragón-Sulik, Valentín Juventino Morales-Domínguez y Tertuliano Caballero-Aquino subterráneas de otras cuencas. La corriente superficial más cercana a la comunidad (arroyo Grande) tiene un flujo intermitente durante el año, lo cual no favorece la recarga de los mantos freáticos. Por lo anterior se planeó el diseño y construcción de un sistema de recarga, el cual combina los dos métodos propuestos por Murillo et al. (2002). La recarga natural en el Valle de Oaxaca ocurre en diversas zonas. Al norte, en áreas forestales y afectadas por la falla normal Donají; existe la contribución lineal de la recarga de los mantos freáticos a través de los ríos Atoyac y Salado, y la red de escurrimientos intermitentes de las sierras que rodean al Valle contribuyen a la recarga en menor escala. La geología del sitio presenta suelos de características aluviales, producto de la transportación por el viento y los arrastres fluviales, observándose suelos de características arcillosas y orgánicas, así como arenosas, en estado suelto y semisuelto, con horizontes areno gravosos variables (INEGI, S.D. 1981). Una de las formas de recuperación de los mantos acuíferos, es mediante la recarga artificial; ésta se define como el aumento del movimiento natural del agua superficial hacia las formaciones subterráneas saturadas por algún método constructivo, y que se alcanza por la disposición de agua en la cuenca o por el cambio de las condiciones naturales (Asano, 1985). Las características fisiográficas de la zona en estudio muestran una planicie donde no existen elevaciones importantes, con una pendiente del terreno de 2- 4%. Al noroeste del poblado riega sus limitadas aguas el río Salado, en el lado poniente pasa el río Grande, en el lado sur el río Instancia y arroyo Seco, por el lado oriente el río Seco de la Barranca. Aunque estos afluentes llevan el nombre de ríos, en realidad son arroyos de temporal que llevan agua sólo en épocas de lluvia (Secretaría de Gobernación, 1988). Murillo et al.(2002) menciona que existen dos métodos para la recarga: por filtración en la superficie y por introducción directa del agua hasta cierta profundidad. En el primer grupo se utilizan canales y represas, con el fin de aumentar el tiempo y área de contacto entre el agua y el terreno; en el segundo se realizan sondeos a través de los cuales se inyecta el agua a capas permeables; para lo que se requiere de un cierto volumen almacenado. Se tiene en la cuenca un área de captación de 5728.93 ha con un perímetro de 35,860 m. La longitud del cauce principal tiene un desarrollo de 17.782 km; y con el método del hidrograma triangular, se determinó un tiempo de concentración de la cuenca de 1.715 h (Fuentes et En la comunidad de Santa Cruz Papalutla, Tlacolula, Oaxaca, perteneciente a la cuenca del río Salado (figura 1), existe escasez de agua para riego, se manifiestan frentes salobres consecuencia de aportaciones Figura 1. Ubicación de la presa subterránea en Santa Cruz Papalutla, Oax. 18 vol. 4 núm. 2 Naturaleza y Desarrollo julio-diciembre 2006 por los descensos en los niveles estáticos en los pozos medidos periódicamente en la zona. Mediante la determinación de la conductividad hidráulica, se estableció la capacidad del subsuelo para permitir la recarga al acuífero, un material impermeable dificulta la recarga natural o artificial de la zona. Heralt and Musiake (1987) mencionan que la conductividad hidráulica de un suelo es una propiedad clave en la descripción de los procesos de infiltración y redistribución del agua en el suelo, motivo por el cual, su conocimiento es esencial en el diseño de obras de infiltración. Con el fin de tener un muestreo representativo, se empleó una red de infiltrómetros de 5.08 mm de diámetro a diferentes profundidades (cuadros 1 y 2). Se realizaron pruebas de infiltración a carga variable en la época de sequía, debido a que el contenido de humedad de los suelos es nulo. Figura 2. Instalación de piezómetros en la zona de estudio. al., 1981). Por lo anterior, se clasifica como una cuenca pequeña, con la posibilidad de que la avenida máxima pueda presentarse en un corto tiempo (Campos, 1992). Lo mencionado sustenta la selección del sitio apto para recarga de mantos freáticos. Materiales y métodos Es un estudio multidisciplinario (mecánica de suelos e hidrología) que sirvió para caracterizar la zona y aplicar técnicas constructivas en el desarrollo de un sistema de recarga. Se emplearon datos históricos de estaciones climatológicas cercanas para determinar la precipitación (promedio anual de 587.71 mm). La evapotranspiración real promedio calculada con el método de Thornthwaite (Sánchez et al., 2003), fue de 62.201 mm por año, siendo la mayor en el mes de mayo (87.807 mm). Con el fin de tener un parámetro de comparación, se determinó la recarga natural con el método de Thorntwaite-Matters (Sánchez et al., 2003), por las características del terreno plano con cultivos de raíces de profundidad moderada a someras, predominantes en el sitio, se consideró una retención de humedad de suelo de 79 mm (Ruiz, 1998). La lámina de recarga obtenida fue de 33.47 mm por año, esta lámina es baja y se corrobora Durante la perforación de los piezómetros, se tomaron muestras del suelo lavado a cada 1.5 m de profundidad para realizar una clasificación somera, complementándose con sondeos exploratorios empleando el equipo de penetración estándar (SPT) para determinar la estratigrafía del sitio (figura 3), estos sondeos se efectuaron a una profundidad de ocho metros. Así también, se observó el comportamiento del arroyo Grande, el cual tiene un régimen de flujo alto en épocas de avenidas, mientras que en épocas de sequía no presenta flujo. No existen datos históricos del flujo, sin embargo por las características de la microcuenca se puede inferir un hidrograma de este escurrimiento, de tal forma que el gasto máximo o pico se presenta en un tiempo relativamente corto (tiempo de concentración). En la década de los noventas, en el arroyo Grande se construyó una obra para retención y desvío del agua, sin embargo por el régimen del flujo fue arrastrada y destruida. Con los antecedentes mencionados, se diseñó una estructura de concreto y mampostería en arco que desvía parte del agua de escurrimiento a canales laterales que son los que inducen la recarga natural al subsuelo. El sistema de recarga del acuífero se localiza a dos kilómetros al suroeste de la población de Santa Cruz Papalutla, en las coordenadas geográficas 16º57’2.11’’ latitud norte y 96º35’18.17’’ longitud oeste, tomadas con un GPS portátil marca Magellan con el DATUM WGS84. La estructura está formada por una pantalla curva de concreto armado de 15 m de claro, 0.15 m de espesor, y una altura total de 4.40 m, con un vertedor central de 7.00 19 Manuel Dino Aragón-Sulik, Valentín Juventino Morales-Domínguez y Tertuliano Caballero-Aquino Figura 3. Perfil estratigráfico en la margen izquierda del río 20 vol. 4 núm. 2 Naturaleza y Desarrollo julio-diciembre 2006 por 1.60 m. y desplantado en una losa de cimentación de concreto armado de 2.20 m de ancho ( figura 4). La pantalla sobresale 0.60 m a partir del fondo del cauce y aguas arriba se construyó un muro trapezoidal de mampostería para rigidizar la obra. En los costados de la pantalla, se construyeron cajas de captación que funcionan como sedimentadores (figura 5). El agua se conduce hacia los canales de infiltración, mediante tubos de concreto de 38.1 cm de diámetro. 225 m en la margen izquierda, ambos con 3 m de ancho y 3.5 m de profundidad. La obra de inundación y recarga está compuesta de canales de 175 m de longitud en la margen derecha y de periodos de sequía y de lluvia. Para conocer la evolución de los niveles estáticos en el tiempo se realizaron mediciones en una red de pozos noria del lugar en los meses de junio y octubre del 2003, así como en noviembre del 2004. Para comprobar las recuperaciones del nivel estático, se compararon los valores de las mediciones de estos niveles para diferentes Figura 4. Estructura en arco de concreto y mampostería. 21 Manuel Dino Aragón-Sulik, Valentín Juventino Morales-Domínguez y Tertuliano Caballero-Aquino Figura 5 Proceso constructivo y en operación de la presa subterránea Resultados y discusión. Los valores de la conductividad hidráulica en el lado de la margen izquierda del arroyo son mayores, corroborado por el tipo de suelo extraído (arena arcillosa); además, el valor de la infiltración es menor entre los tres y cuatro metros de profundidad, posiblemente por la intercalación de lentes arcillosos. Los datos de la conductividad hidráulica se analizaron con las ecuaciones de Hvorslev y Darcy para la conductividad hidráulica vertical (Freeze, 1979), y Porchet para la conductividad hidráulica media (Custodio, 1976). Los resultados de la conductividad hidráulica se muestran en los cuadros 1 y 2. Cuadro 1. Conductividad hidráulica media (m/s) Coordenadas planas UTM Piezómetro A B D E J X Y Z Profundidad muestreada (m) 756579 756573 756481 756488 756334 1875859 1875784 1875766 1875776 1875827 1596 1615 1564 1564 1611 1.66 4.47 3.01 5.5 4.35 Conductividad hidráulica media (ms-1) 6.38Ex10-8 9.36Ex10-9 3.30Ex10-9 3.00Ex10-6 2.45Ex10-5 Cuadro 2. Conductividad hidráulica vertical (m/s) Coordenadas planas UTM Piezómetro C G H X Y Z Profundidad muestreada (m) 756460 756291 756305 1875753 1875839 1875831 1560 1615 1613 1.66 5.66 4.23 Conductividad hidráulica vertical (ms-1) 1.69Ex10-5 4.56Ex10-6 2.46Ex10-4 Los valores de la conductividad hidráulica media calculada, se compararon con la clasificación propuesta por Arroyo (1996), de tal comparación resulta lo siguiente: K=1E-09 m/s corresponde a sedimentos, loess, K=1E-06 m/s corresponde a arena con sedimentos, K=1E-04 m/s corresponde a arenas limpias 22 vol. 4 núm. 2 Naturaleza y Desarrollo Con las muestras obtenidas con el equipo de penetración estándar se realizaron pruebas de laboratorio: granulometría, densidad y límites de consistencia, se elaboraron los perfiles estratigráficos, en donde se observa que predominan suelos granulares, principalmente arenas, que al mezclarse con gravas, limos y arcillas, forman estratos con diversas características (figura 3). En el lecho del cauce del río se encuentran arenas de grano medio y fino, lavadas y depositados por los escurrimientos temporales de agua; estos depósitos de arena están subyacidos por materiales mas firmes de suelos arcillo limosos. La heterogeneidad de los materiales encontrados y que son principalmente permeables como lo demuestran los julio-diciembre 2006 valores de la conductividad hidráulica, aseguran la transmisión del flujo hacia los mantos acuíferos. Con el conocimiento de las características del subsuelo en la zona, así como el régimen de flujo en el arroyo Grande se procedió a la construcción de la presa o pantalla subterránea y los canales de infiltración. Se observó que en épocas de lluvia, la pantalla subterránea, además de recolectar el agua superficial que transita en el cauce, retienen el flujo subsuperficial para que se realice el proceso de recarga (figura 6). Las curvas de la profundidad al nivel estático muestran que en periodo de junio a octubre de 2003, existió una recuperación que en algunos sitios alcanzó niveles de 5 m (figura 7); sin embargo, en el periodo de octubre de Figura 6. Canales de infiltración en construcción (margen izquierda) y en operación (margen derecha). 23 Manuel Dino Aragón-Sulik, Valentín Juventino Morales-Domínguez y Tertuliano Caballero-Aquino 2003 a noviembre de 2004 se muestran abatimientos hasta de 11 m. (figura 8). del acuífero es consecuencia del sistema de recarga o es producto de la recarga natural. Por la escasa información recabada en los periodos mencionados, no se puede concluir que la recuperación En este trabajo se presentan los estudios necesarios para plantear un sistema de recarga, y aun cuando el sistema se encuentra en evaluación, se observó que el subsuelo mantiene su humedad durante un mayor tiempo que antes de construirse el sistema de recarga. Conclusiones Con la finalidad de aportar una alternativa de solución a la falta de fuentes hídricas para su aprovechamiento, se propuso la construcción de un sistema que permita captar el agua del arroyo Grande e inducirla a canales para infiltrarla. Es una zona donde las características de permeabilidad del terreno, condiciones del régimen del cauce, y topografía de la zona permitieron la instalación de este tipo de obra. Con los resultados obtenidos de los muestreos se determinó que existe una heterogeneidad que no permite una recarga uniforme, aún cuando se definieron estratos con características granulares que facilitan la infiltración del agua al subsuelo. Figura 7. Diferencia en la profundidad al nivel estático para los meses de junio a octubre del 2003, los valores positivos son recuperaciones. Como el proceso de recarga es lento, se requiere de un mayor tiempo de evaluación de la obra como lo señalan los niveles estáticos medidos. De observaciones hechas a la obra en funcionamiento se corrobora que del flujo anteriormente perdido, buena parte es desviada a los canales de infiltración. La sustitución del suelo impermeable por rellenos de material granular en los canales de infiltración, permiten disminuir los efectos de evapotranspiración que ocurre generalmente en embalses. Por otra parte, los arrastres de partículas finas y basura orgánica, disminuyen la eficiencia del sistema, debido a que tapan las rejillas de acceso, por lo que este tipo de obras requiere de un mantenimiento periódico. Es benéfico realizar este tipo de obras que contribuyen a la retención, desvío e infiltración del agua de lluvia para recargar los mantos freáticos que actualmente están siendo sobreaprovechados, con sus consecuentes efectos negativos tanto para la disposición de agua para riego como para uso humano. Figura 8. Diferencia en la profundidad al nivel estático para los meses de octubre del 2003 a noviembre del 2004 24 vol. 4 núm. 2 Naturaleza y Desarrollo Literatura citada Aragón, S. M., Belmonte, J. S., Navarro, M. S., Bautista, B. A. e I. Valeriano. 2003. Caracterización geohidrológica del sistema cárstico en los Valles Centrales de Oaxaca. Informe Técnico Final CGPI 20010870. Instituto Politécnico Nacional. México. Arroyo, C., A. 1996. Bases teóricas e interpretación de registros geofísicos de pozos: División de Ciencias de la Tierra. UNAM. México. pp 23-29. Asano, Takashi. 1985. Artificial Recharge of Groundwater. California State Water Resources Control Board and Department of Civil Engineering University of California Davis. California. Butterworth Publishers. USA. Belmonte, J. S., Aragón, S. M., Navarro, M. S., Bautista, B. A. e I. Valeriano. 2001. Evaluación del riesgo de contaminación del sistema acuífero de los Valles Centrales de Oaxaca. Informe Técnico Final CGPI 980033. 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