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DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
MEXICO
MODELO DRASTIC-Sg: UNA NUEVA
HERRAMIENTA PARA MEJORAR LA
GESTIÓN DEL ACUÍFERO DE LA CIUDAD
DE MÉXICO
ESPECIALIDAD: Ingeniería Geológica
Dr. José Antonio Hernández-Espriú
(Hidrogeología)
México, D.F., a 15 de agosto de 2013
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
A Amaya, mi hija adorada.
Mi nueva razón para existir.
Especialidad: Ingeniería Geológica
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
CONTENIDO
1. Resumen ejecutivo
2. Desarrollo del tema
2.1. Introducción
2.2. Breve síntesis de la hidroestratigrafía de la Ciudad de México
2.3. Métodos y materiales
2.4. Resultados y discusión
2.5. Conclusiones
2.6. Referencias citadas
3. Agradecimientos
4. Breve Currículum Vitae de Antonio Hernández-Espriú
Especialidad: Ingeniería Geológica
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
1. Resumen ejecutivo
La zona metropolitana de la ciudad de México es una de las regiones urbanas más
complejas del mundo, donde casi 21 millones de personas dependen del agua
subterránea como su principal fuente de abasto. El acuífero compuesto de unidades
aluviales, piroclásticas y fracturadas, sobreyacidas por un acuitardo compresible, ha
sido intensamente explotado, lo que ha generado efectos de subsidencia y
reactivación de fracturas que dañan continuamente la infraestructura urbana.
Aunque la vulnerabilidad del agua subterránea (VAS) ha sido un tema intensamente
estudiado en la literatura desde hace al menos 3 décadas, son prácticamente nulos
los estudios que han evaluado con detalle la influencia de la subsidencia en la
vulnerabilidad acuífera. En este sentido, el objetivo de esta investigación es
desarrollar una metodología, basada en DRASTIC, para analizar la VAS en acuíferos
urbanos afectados por procesos de subsidencia diferencial, tomando como casoestudio el acuífero de la ciudad de México en el sector del Distrito Federal.
La metodología propuesta llamada Modelo DRASTIC-Sg, se basa en acoplar un
nuevo parámetro a DRASTIC denominado gradiente de subsidencia (subsidence
gradient, Sg), que constituye la respuesta física de la deformación del terreno
provocada por subsidencia diferencial y representa las áreas de riesgo donde
ocurren o pueden ocurrir en un futuro, reactivación y propagación de
fracturas/conductos, que incrementen la permeabilidad secundaria de la zona
vadosa somera y por ende aumenten la VAS. Se analizó la subsidencia del terreno
usando análisis PSInSAR y GPS para caracterizar la variación espacio-temporal de
la tasa y gradiente de subsidencia, para un período de 2003-2007 y 2004-2011. El
modelo propuesto se expresó en términos de puntuación y conteo paramétrico,
para ser compatible con DRASTIC y poder manipularse fácilmente en un entorno
GIS.
El modelo DRASTIC-Sg se expresa en su forma más práctica como un mapa de
zonificación de la vulnerabilidad acuífera, categorizado en 5 clases: muy baja, baja,
moderada, alta y extrema. El comportamiento de la tasa y gradiente de subsidencia
para cada clase, comparando ambos métodos, sugiere que DRASTIC puede
subestimar la vulnerabilidad intrínseca a la contaminación en acuíferos afectados
por subsidencia diferencial del terreno. Por tanto, DRASTIC-Sg puede generar
mapas de la VAS más fiables en este tipo de entornos.
El modelo DRASTIC-Sg con ciertas variaciones menores, puede ser aplicado en
diversos acuíferos en todo el mundo que exhiban procesos de subsidencia (e.j. Las
Vegas Nevada, Yunlin China, la Cuenca de Teherán Irán, Jakarta Indonesia y otros).
Finalmente el mapa de zonificación generado para el DF, puede servir como una
nueva herramienta de comparación, evaluación y análisis que permita mejorar las
prácticas de gestión ambiental, hídrica, urbana, de riesgo y de control de fuentes
contaminantes en la ciudad.
Palabras clave: DRASTIC-Sg; DRASTIC; vulnerabilidad acuífera; subsidencia; SAR; PSI;
GIS; Ciudad de México.
Especialidad: Ingeniería Geológica
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2. Desarrollo del tema
2.1. Introducción
La zona metropolitana de la Ciudad de México (ZMCM), localizada en el límite
suroeste de la Cuenca de México (Figura 1b), es uno de los sistemas hidráulicos
más complejos en América. La antigua capital del Imperio Azteca es hoy una región
urbana habitada por cerca de 21 millones de personas (INEGI, 2010) que dependen
del agua subterránea como su principal fuente de agua potable.
El abastecimiento de agua es una de las mayores preocupaciones en el área. El
consumo total de la ZMVM es de 61.59 m3/s, de los cuales 40.76 m3/s (66%) se
extraen del acuífero, seguido de flujos provenientes de acueductos que importan
agua de cuencas vecinas (Carrera-Hernández y Gaskin, 2009). El agua subterránea
ha sido intensamente explotada desde el siglo 19 a través de un sistema acuífero
aluvial/piroclástico/fracturado que es sobreyacido por un acuitardo de origen
lacustre de 40-350 m de espesor (Vargas y Ortega-Guerrero, 2004), que debido a
su baja permeabilidad y alto contenido arcilloso, ha servido como una “capa
protectora” contra procesos de contaminación superficial. En este documento, los
acuíferos de abastecimiento y el acuitardo serán referidos conjuntamente como el
Sistema Acuífero de la Ciudad de México (ACM).
Aproximadamente 680 pozos con profundidades variables entre 100 a 994 m
(Figura 1c), generan un sobrebombeo continuo sobre el ACM en condiciones donde
la recarga natural, claramente es excedida por la extracción (CONAGUA, 2009).
Esta
situación
ha
generado
consecuencias
indeseables:
(1)
variaciones
hidrogeoquímicas temporales, controladas por una inversión en el gradiente
hidráulico que genera flujos verticales descendentes del acuitardo al acuífero
(Huizar-Alvarez et al. 2004), (2) tasas de abatimiento excesivas, de hasta 1.4 m/a
(Lesser y Asociados, 2003), causando a su vez una disminución en la presión de
poro en el ACM, provocando (3) consolidación del acuitardo, subsidencia diferencial
y deformación del terreno.
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La subsidencia ha sido reconocida como uno los problemas más serios en la porción
oriental del Distrito Federal (Figura 2) y núcleos vecinos (e.j. Chalco), donde se han
reportado tasas de subsidencia de incluso 40 cm/a (Ortega et al. 1993). Para 1952,
la subsidencia acumulada, registrada desde 1891 en el centro histórico, había
alcanzado 6 m (CHCVM, 1953). En la década de los 50s, se instituyó como medida
preventiva el cierre de gran parte de los pozos de extracción en esta zona, lo que
generó una disminución en la tendencia general de la tasa de subsidencia de 17
cm/a (1940-1970), 4.5 cm/a (últimos años de 1970) y cerca de 9 cm/a, de 1986 a
1991, según cifras reportadas por la AIC (1995).
En general, la subsidencia ha sido un tema razonablemente bien estudiado
durante las pasadas décadas (Figueroa-Vega, 1984; Hiriart and Marsal, 1969);
sin embargo el entendimiento mucho más detallado de la variación espaciotemporal de este fenómeno en la Ciudad de México, se ha dado desde tan solo
hace unos 5-6 años. Estos estudios se basan en técnicas modernas de
percepción remota utilizando Interferometría de Radar de Apertura Sintética
(InSAR), Dispersores Persistentes (PSInSAR, o simplemente PSI por sus siglas
en inglés Persistent Scatterers Interferometry) y GPS. Estas técnicas suponen
metodologías novedosas, probadas y costo-efectivas para evaluar cambios
topográficos temporales en entornos geológicos muy diversos (Calderhead et al.
2011; Chatterjee et al. 2006; Fan et al. 2011).
RADAR (Radio Detection And Ranging) es una técnica de sensores remotos que
se basa en la iluminación de un objetivo con ondas electromagnéticas en el
rango de frecuencia de las microondas y se utiliza la señal reflejada para
deducir información acerca del objetivo. Para ello se registra el tiempo de viaje,
la amplitud y fase de onda de la señal reflejada, para determinar la variación de
las distancias del objetivo con respecto al tiempo, con objeto de generar una
imagen 2D del área estudiada conforme el RADAR satelital barre una escena
determinada (Solano-Rojas, 2013).
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Figura 1. Localización de la zona de estudio. (a) Modelo digital de elevación de la República Mexicana. En rojo se muestra la Faja
Volcánica Transmexicana, (b) Cuenca de México y Distrito Federal (DF), (c) distribución de pozos en el DF sobre una composición de
falso color en una imagen LANDSAT-ETM+.
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Figura 2. Efectos de la subsidencia en la ciudad de México. (a) Ademe de un pozo antiguo
(~1940) cerca del Monumento a la Revolución, donde se muestra que el brocal se
encuentra aproximadamente 7 m por arriba de la cota actual, (b) daños en infraestructura
urbana al este de la ciudad, producidos por subsidencia diferencial, (c) ejemplo de la
reactivación y propagación de fracturas superficiales producidas por subsidencia diferencial
en el este de la ciudad.
SAR (Radar de Apertura Sintética por sus siglas en inglés Synthetic Aperture Radar)
combina las técnicas de procesamiento de señal con información de las órbitas
satelitales para producir imágenes de RADAR de mucha mayor resolución, con
pixeles de 20-100 m y coberturas de hasta centenas de kilómetros. Al analizar dos
imágenes SAR tomadas desde puntos ligeramente diferentes, se pueden generar
imágenes de la topografía, para deducir los cambios de fase en un punto
determinado, controlados por desplazamientos del terreno con precisión milimétrica
(Bürgmann et al. 2000). Cuando es posible correlacionar al menos ~15 imágenes
SAR con puntos objetivos, llamados dispersores permanentes (PSs o PSIs),
identificados como puntos urbanos (e.j. azoteas, calles, etc.) es posible identificar
series de tiempo de la subsidencia de esos elementos (PSIs), permitiendo evaluar
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patrones espacio-temporales de este fenómeno. A esta técnica se le conoce como
PSI y representa una de las aplicaciones más importantes de la tecnología SAR.
Este tipo de metodologías han permitido entender de una manera más integral el
problema de la subsidencia en la ciudad. Cabral-Cano et al. (2008) analizaron por
medio de la técnica InSAR la subsidencia de la ciudad de México, para un período
observado de 1996-2003. Además validaron el procesado InSAR con datos de 9
estaciones permanentes de GPS, estableciendo que la tasa de subsidencia excede
los 35 cm/a, en el oeste de la ciudad. López-Quiroz et al. (2009) encontró con la
técnica SAR, a través de una metodología diferente para procesar interferogramas,
tasas muy similares, de 38.7 cm/a para un período observado de 2003-2007.
Cabral-Cano et al. (2011) analizan los patrones de subsidencia para un período de
1996-2005 y definen zonas potenciales de riesgo a la infraestructura urbana, por
medio del análisis de la variación espacial del gradiente horizontal de subsidencia,
definido por el mismo autor en 2008 como la diferencia entre dos tasas de
subsidencia vecinas, entre su distancia. Por su definición, este parámetro permite
determinar
las
zonas
que
están
o
podrían
eventualmente
afectarse
por
fracturamiento y reactivación de fallas, efecto acelerado por la sobre-extracción del
acuífero. Es importante mencionar que este parámetro será de fundamental
importancia en la metodología propuesta (DRASTIC-Sg), eje central de este
trabajo. Finalmente, Osmanoglu et al. (2011) analizaron con la técnica PSI y
validación con GPS que la subsidencia en la ciudad para un período observado de
2004-2006, varió del orden de 30 cm/a. Estos valores sugieren sorpresivamente,
que la subsidencia en la ciudad de México se comporta como un proceso
razonablemente lineal, al menos de 1996 a 2011.
Por otro lado, la vulnerabilidad acuífera -principal tópico de este trabajo-, ha sido
un tema de enorme interés y debate en la literatura científica, desde hace al menos
3 décadas. Definida como una propiedad semicuantitativa e intrínseca al medio
acuífero, la vulnerabilidad del agua subterránea (VAS) se define como la
susceptibilidad de un acuífero a ser contaminado por cualquier compuesto adverso
al medio, desde una fuente superficial. Una minería de datos del estado del arte de
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la VAS realizado como parte de este trabajo, permitió establecer que existen cerca
200 documentos de 1995 a 2012 relacionados con el tema, que fueron
categorizados en: artículos científicos en revistas arbitradas (134), reportes
técnicos nacionales e internacionales (32; 24 del USGS), tesis (28), guías legales
(4) y otros sin clasificar (2). Es notable mencionar que el 76% de estos documentos
representan información actualizada y relevante: 127 artículos en revistas indizadas
en el Science Citation Index, incluidos colaboraciones en la revista de más alto
impacto en las geociencias a nivel mundial Nature Geoscience (Burgess et al. 2010;
Winkel, et al. 2008), 14 tesis de doctorado (Battle-Aguilar, 2008; Honnungar,
2009; Lindström, 2005; Mendoza, 2006; Rahman, 2008; Ramos-Leal, 2002;
Sorichetta, 2010; Vincent, 2008 y otros) y 13 de maestría. Estas cifras relevan
claramente la importancia que hoy en día tiene la VAS, como una herramienta que
permite mejorar las prácticas de manejo hídrico y ambiental en la protección de
acuíferos de abastecimiento.
Se detectaron ~60 metodologías para caracterizar la VAS, basadas en 4 enfoques:
(a) modelado numérico de flujo y transporte (Burgess et al. 2010 Nature
Geoscience; Butscher and Huggenberger, 2009; Neukum et al. 2008), (b) técnicas
estadísticas/geoestadísticas/probabilísticas (Assaf and Saadeh, 2008; Sorichetta et
al. 2011; Winkel et al. 2008), (c) perímetros de protección/zonas de captura
(Expósito et al. 2010; Molson and Frind, 2012) y (d) modelos paramétricos y de
conteo de puntos, por ejemplo SINTACS (Civita, 1994), GOD (Foster, 1987), ISIS
(Civita y De Regibus, 1994) o KARSTIC (Davis et al. 2002). Este tipo de modelos
representan la manera más práctica y común para caracterizar la vulnerabilidad,
debido a la facilidad que actualmente supone vincular un conjunto de datos
espaciales en un sistema geográfico de información (GIS).
La metodología más popular a nivel mundial para evaluar la VAS es el método
DRASTIC desarrollado por la U.S. EPA (Aller et al. 1987), que se ha sido aplicado
centenas de veces en entornos hidrogeológicos diversos (Ahmed, 2009; Chen et al.
2013; Ducci and Sellerino, 2013; Hind and Alraggad, 2010; Kumar Prasad et al.
2011; Pacheco and Sanches Fernandez, 2013; Sener et al. 2009). A pesar de las
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limitaciones y algunas críticas del método (ver Panagopoulos et al. 2006), DRASTIC
ha prevalecido como el modelo más usado para el análisis de la susceptibilidad
acuífera a la contaminación (según Google Scholar, el artículo de Aller et al. (1987)
tiene 1208 citas).
A pesar de la enorme cantidad de estudios efectuados en el pasado relacionados
con la VAS y las modificaciones del método DRASTIC (Denny et al. 2007, Lima et
al. 2011, Oliva-Soto, 2007), prácticamente no existen estudios donde se analice el
efecto de la subsidencia en la vulnerabilidad de acuíferos urbanos sometidos a
extracción intensiva. Por lo tanto, esta investigación tiene dos principales objetivos:
(1) desarrollar una metodología integral, tomando como base DRASTIC, que
permita caracterizar la distribución espacial de la vulnerabilidad en acuíferos
urbanos afectados por procesos de subsidencia diferencial, denominada modelo
DRASTIC-Sg y (2) generar el primer mapa de vulnerabilidad del acuífero de la
ciudad de México (ACM) para el área comprendida del DF. Se considera que este
modelo puede representar una nueva herramienta de decisión para mejorar las
prácticas de gestión hídrica y medioambiental en el ACM.
La hipótesis considera que los efectos diferenciales de la subsidencia, generan
nuevos agrietamientos, propagación de fracturas existentes y reactivación de fallas
que
aumentan
la
permeabilidad
secundaria
de
la
zona
vadosa
somera,
incrementando la susceptibilidad a la contaminación acuífera.
2.2. Breve síntesis de la hidroestratigrafía de la Ciudad de México
Como se muestra en la Figura 3a, la geología superficial de la ciudad consiste de
depósitos recientes aluviales y lacustres (ricos en arcilla), basaltos-andesíticos del
Cuaternario,
escoria
basáltica
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y
depósitos
volcaniclásticos
sin
diferenciar.
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Figura 3. (a) Configuración de la profundidad del nivel del agua subterránea del acuífero (2010) sobreimpuesto al mapa geológico
del DF, (b) vulnerabilidad relativa normalizada de la profundidad del agua subterránea, D.
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Tomando como base estudios previos (Huizar-Alvarez et al. 2004; Mooser et al.
1996; Mooser and Molina, 1993; Pérez-Cruz, 1988; Ramos-Leal et al. 2010;
Santoyo et al. 2005; Vargas and Ortega-Guerrero, 2004; Vázquez-Sánchez y
Jaimes-Palomera, 1989; Vázquez-Sánchez, 1995), la hidroestratigrafía del ACM
puede resumirse y simplificarse en las siguientes unidades hidrogeológicas de cima
a base:
(a) Acuitardo arcilloso de la ciudad de México. Aluvión Cuaternario, depósitos
fluviales
y
lacustres, sedimentos
arcillosos, compresibles
y sobresaturados,
intercalados con limo, arena, lentes pumíticos y escasa grava. Su espesor varía de
40 a 350 m de espesor (Vargas y Ortega-Guerrero, 2004) y contiene en algunas
áreas agua de pobre calidad (e.j. la parte oriental de la cuenca), porque su
diagénesis se vincula al antiguo Lago Texcoco, que inicialmente fue afectado por
procesos de evaporación, incrementando la salinidad y la formación de salmueras
(Rudolph, 1989);
(b) Unidad volcánica superior en medio granular. Aluvión Cuaternario, rocas
piroclásticas-volcaniclásticas y basaltos-andesíticos Plio-Cuaternarios. Representa el
acuífero explotable en la zona de estudio y por tanto la fuente primaria de agua
para consumo humano (primordialmente la Formación Tarango). Su recarga es
controlada por variaciones estacionales, ya que recibe alimentación directa de la
infiltración de la precipitación en la Sierra del Chichinautzin y Las Cruces (Figura
1c), donde todavía es posible encontrar zonas naturales de descarga de agua
subterránea, por medio de 17 manantiales que proporcionan 0.8 m3/s del total para
consumo humano (CVCCCM, 2009). Sin embargo, basándonos en verificaciones de
campo realizadas en este trabajo, solamente fue posible localizar 7 de ellos, con
caudales reportados por el CVCCCM (2009) de 192 (Santa Fe), 138 (Peña Pobre),
79 (Fuentes Brotantes), 38 (Apapaxtla), 35 (El Ranchito), 29 (Potrero) y 7 l/s
(Chimalpa). La localización general de estos manantiales se muestra en la Figura
1c. El ACM se comporta hidráulicamente como semiconfinado en el valle lacustre,
debido a la presencia del acuitado, y como libre en las inmediaciones de las zonas
de recarga antes descritas. La profundidad del nivel del agua subterránea varía de
60-170 m (2010), mientras que el espesor saturado excede los 800 m.
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No obstante, la extracción actual es generada a través de intervalos ranurados
dentro de los primeros 300-400 m de esta unidad (Herrera et al. 1989,);
(c) Unidad volcánica inferior en medio fracturado. Rocas andesíticas
Miocénicas y basaltos y riolitas del Oligoceno, que consisten en la parte superior de
arcillas lacustres y en la inferior de conglomerado y lutitas de las formaciones
Balsas y Mezcala, respectivamente (Mooser y Molina, 1993). PEMEX (sin publicar)
reportó un intervalo de espesores de 830 a 2590 m de esta unidad, de acuerdo al
corte litológico de los pozos Mixhuca y Roma-1 (las ubicaciones generales se
muestran en la Figura 1c);
(d) Basamento hidrogeológico. Depósitos marinos que consisten de caliza
masiva, plegada y fracturada, arenisca y lutita en menor medida. Aflora en la parte
noroeste y sureste de la Cuenca de México, tradicionalmente asociada con el
basamento
impermeable
del acuífero.
Aunque
se
ha publicado
muy poca
información acerca de esta unidad, la ocurrencia de un acuífero profundo
emplazado en calizas, ha sido tema de debate en los últimos años. Los cortes
litológicos de los pozos profundos Mixhuca, Texcoco-1 y Tulyehualco, cortaron esta
unidad a los 1600, 2060 y 2100 m por debajo de la superficie del terreno, y
características kársticas se han supuesto, basándose en pérdidas de los fluidos de
perforación (Huizar-Alvarez et al. 2004).
Por otro lado, la Academia Mexicana de Ciencias (1995), reporta la existencia de
manantiales termales con precipitaciones de travertino en el Peñón de los Baños
(cerca del aeropuerto internacional de la ciudad de México), asociados a flujos
regionales en esta unidad. Recientemente (2012-2013) el Sistema de Aguas de la
Ciudad de México (SACM) perforó un pozo exploratorio de 2 km de profundidad en
Iztapalapa, con objeto de estudiar la caliza como unidad objetivo. Aunque la caliza
no fue cortada, entre 1500-2000 m de profundidad, se encontraron características
favorables para la producción de agua subterránea, a través de la presencia de
andesitas, probablemente de la unidad volcánica inferior (Gaceta UNAM, 2013;
Escolero-Fuentes, comunicación personal, 2013, investigador de tiempo completo,
Instituto de Geología, UNAM). Sin embargo, es absolutamente necesario desarrollar
investigaciones de detalle para caracterizar la geometría, propiedades hidráulicas,
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firmas
geofísicas,
variación
espacio-temporal
de
la
calidad
del
agua
y
comportamiento del flujo. En este sentido la unidad (b) descrita anteriormente,
seguirá siendo la principal fuente de agua potable, al menos a corto y mediano
plazo.
Bajo esta temática, el mapa de vulnerabilidad desarrollado en este trabajo usando
la metodología propuesta (DRASTIC-Sg), pretende
mostrar las
zonas
más
susceptibles del acuífero (unidad (b)) a contaminarse por fuentes superficiales.
2.3. Métodos y materiales
La metodología general para el desarrollo de esta investigación se muestra en la
Figura 4.
2.3.1. Modelo DRASTIC-Sg
El modelo propuesto, llamado DRASTIC-Sg, se basa en una modificación de la
metodología DRASTIC (Aller et al. 1987), que conviene explicar brevemente como
antecedente. El acrónimo DRASTIC es un método que consiste en caracterizar la
variación espacial de 7 variables hidrogeológicas, por medio de una equivalencia
numérica entre el valor de la variable y una puntuación y peso que cada parámetro
tiene, en función de la importancia relativa del cálculo general de la vulnerabilidad.
La vulnerabilidad se realiza estimando un índice, derivado del cálculo de la ecuación
1, que combina, mediante una suma ponderada, la puntuación de cada variable (r)
y el peso (w) respectivo. La ecuación es:
DRASTIC = 5Dr + 4R r + 3Ar + 2Sr + Tr + 5Ir + 3Cr + 4Sg r
(1)
Donde D es la profundidad del nivel del agua subterránea, R la recarga vertical del
acuífero, A la litología acuífera, S la cobertura edáfica, T la topografía, I la litología
de la zona vadosa y C la conductividad hidráulica. El término “r” representa la
puntuación de cada variable y los números (5,4,3,2,1) se refieren a los pesos de
cada parámetro.
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Figura 4. Diagrama de flujo mostrando la metodología seguida en este trabajo.
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Por ejemplo, si la profundidad del nivel del agua subterránea es menor a 1.5 m, el
acuífero en cuestión es muy vulnerable a la contaminación superficial, por lo que la
puntuación en términos de susceptibilidad asociada es 10. A medida que el nivel
freático o piezométrico se profundiza, el acuífero es menos vulnerable a la
contaminación, y por ende la valoración numérica disminuye, hasta un valor de 1,
que implica una vulnerabilidad muy baja a la contaminación, considerando
únicamente el parámetro D. Finalmente los creadores del método, le dieron un peso
de 5 a esta variable (de un mínimo de 1 y un máximo de 5), implicando que la
profundidad del nivel del agua tiene la mayor importancia en los procesos de
vulnerabilidad acuífera. Análogamente, el resto de las variables se caracteriza para
obtener un índice que puede expresarse espacialmente, con la ayuda de
herramientas GIS.
Considerando este antecedente y con base en el diagrama de flujo de la Figura 3,
DRASTIC-Sg es una modificación de DRASTIC que considera la incorporación de un
nuevo parámetro, referido al Gradiente de Subsidencia (Sg del inglés Subsidence
gradient) que permite cuantificar en términos espaciales, los efectos de subsidencia
diferencial en la vulnerabilidad del agua subterránea (VAS). Ha sido estudiado
previamente que por un lado, los efectos de subsidencia diferencial generan
reactivación y propagación de fracturas (Cabral-Cano et al. 2008; 2011) y por otro
lado, se ha identificado que la subsidencia es un proceso significativo en la
vulnerabilidad y riesgo hidrogeológico a la contaminación (Mazari-Hiriart, 1992),
aunque previo a esta investigación y hasta donde el autor tiene conocimiento, no se
ha hecho ninguna aportación seria que haya evaluado cuantitativamente el efecto
de la subsidencia en la VAS.
La incorporación del parámetro Sg se realizó mediante la suposición (ya confirmada
por los autores citados en el párrafo anterior) que la susceptibilidad del acuífero a
contaminarse, aumenta por la generación, propagación y reactivación de fracturas
controladas por procesos de subsidencia diferencial, generando un incremento en la
permeabilidad secundaria de la zona vadosa somera y creando nuevos canales por
los que un contaminante pudiese transportarse con mayor facilidad. Esta suposición
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no implica que forzosamente el acuífero se contamine a través del transporte de
contaminantes por estos conductos, pero si implica que la susceptibilidad a la
contaminación es mayor.
Con objeto de caracterizar adecuadamente el problema, se usó la técnica PSI
(descrita en la introducción) con la que se obtuvo el desplazamiento relativo en
series de tiempo de dispersores puntuales (PSIs), permitiendo entender mejor el
proceso de la subsidencia. Siguiendo la metodología desarrollada por Cabral-Cano
et al. (2008; 2011) y Osmanoglu et al. (2011), 29 escenas del Advanced Synthetic
Aperture Radar onboard the Environment Satellite (ENVISAT) fueron adquiridas por
el Instituto de Geofísica de la UNAM (por E. Cabral-Cano, investigador de tiempo
completo) entre marzo de 2003 a octubre de 2007, que se usaron como base para
generar interferogramas por medio del software libre DORIS (Delft Object-oriented
Radar Interferometry open source software) (Kampes y Usai, 1999 en Osmanoglu).
Adicionalmente se hizo una corrección topográfica tomando como base la topografía
del Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) y una colecta de datos de
desplazamiento relativo en 9 estaciones permanentes de P-GPS (administrados por
el Instituto de Geofísica de la UNAM) de 2004 a 2011.
Las imágenes adquiridas y procesadas por E. Cabral-Cano (2011-2012) fueron
amablemente entregadas al autor para hacer un post-proceso en un sistema GIS,
usando el software ArcGIS/ArcEditor 9.3 (ESRI, 2009). Se construyó en esta
plataforma un mapa que muestra la tasa de subsidencia anual para el período
observado 2003-2007, usando métodos geoestadísticos diversos (pricipalmente
Kriging y co-kriging), a partir del procesado de las series de tiempo de
desplazamiento acumulado de los puntos PSI. Los datos medidos en los puntos PSI,
se validaron con los datos de 9 estaciones P-GPS siguiendo la metodología
establecida por Dixon et al. (2010), que se basa en un ajuste por mínimos
cuadrados de los datos de GPS, para estimar la velocidad lineal del desplazamiento
del terreno y la estimación general de las tendencias de los datos PSI y P-GPS.
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El mapa en formato raster de la tasa de subsidencia del DF (2003-2007) se usó
como dato de entrada para el parámetro objetivo. El gradiente de subsidencia (Sg)
definido como el gradiente horizontal de la tasa anualizada de subsidencia, ha sido
utilizado previamente (Cabral-Cano et al. 2008; 2011; Osmanoglu et al. 2011) para
detectar zonas potenciales de riesgo a la infraestructura urbana debido a la
presencia, reactivación y propagación de fracturas controladas por hundimientos
diferenciales.
En
este
sentido,
tanques
subterráneos
de
almacenamiento,
estaciones de servicio, ductos de hidrocarburos y otras fuentes contaminantes,
pueden verse también afectadas por estos procesos, incrementando la VAS. Para
llevar a cabo esta evaluación, la variable Sg se calculó como la diferencia de tasas
de subsidencia vecinas dividida entre la distancia entre pixeles, de manera que Sg
en efecto representa una medida de la deformación del terreno que pudo acoplarse
a DRASTIC.
El parámetro Sg fue diseñado como una variable continua y normalizada, donde una
puntuación de 1 se asignó al gradiente menor (0.001 m/m/a) y 10 al mayor (0.05
m/m/a), ajustando los valores intermedios con una ecuación logarítmica del tipo:
10; 𝑆𝑔 > 0.05 [𝑎 −1 ]
𝑆𝑔𝑟 = �2.3 ln�𝑆𝑔 � + 16.88; 0.001 [𝑎−1 ] < 𝑆𝑔 < 0.05 [𝑎−1 ]
1; 𝑆𝑔 < 0.001 [𝑎−1 ]
(2)
Donde Sgr representa la vulnerabilidad relativa asociada a la subsidencia diferencial
(gradiente de hundimiento). La ecuación (2) se aplicó al raster de tasa de
subsidencia usando álgebra de mapas y operadores condicionales en el sistema
GIS.
Como lo establece Aller et al. (1987) el peso de la nueva variable se determinó
considerando la importancia relativa sobre las demás, asignándole un peso de 4.
Adicionalmente se probaron pesos de 3 y 5 y se escogió el valor intermedio, porque
se detectó que 3 y 5 subestima y sobreestima el efecto de la subsidencia en la VAS.
Un peso de 4 sugiere que la importancia de la subsidencia en la vulnerabilidad
acuífera, es análoga al efecto que tiene la recarga vertical.
Especialidad: Ingeniería Geológica
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Con estas consideraciones, el índice DRASTIC-Sg se calculó arreglando la ecuación
(1) de la siguiente manera:
DRASTIC − Sg Index = 5Dr + 4R r + 3Ar + 2Sr + Tr + 5Ir + 3Cr + 4Sg r
(3)
Programando la ecuación (3) en el sistema GIS, se generó la variación espacial del
índice DRASTIC-Sg y finalmente se reclasificó el mapa para obtener una cartografía
de 5 zonas de la vulnerabilidad del acuífero de la ciudad de México en el sector del
DF. Por último se corrió también el modelo DRASTIC sin el efecto de la subsidencia
para fines de comparación.
2.3.2. Variables hidrogeológicas restantes (D, R, A, S, T, I, C)
Para el propósito de este texto, el objetivo es mostrar la conceptualización de la
metodología DRASTIC-Sg y su aplicación para fines de mejoras en la gestión del
acuífero. En este sentido, la metodología para la caracterización del resto de las
variables DRASTIC, se resume en la tabla 1.
2.3.3. Inventario de fuentes potenciales de contaminación
Se llevó a cabo una intensa campaña de campo de 6 meses de duración
(septiembre de 2010 a febrero de 2011), que consistió en un inventario de las
principales fuentes potenciales de contaminación por hidrocarburos en la ciudad,
con objeto de contar con un mapa de vulnerabilidad acuífera más robusto.
Siguiendo el procedimiento establecido por Foster et al. (2002), se identificaron e
inventariaron 600 fuentes de contaminación categorizadas en: estaciones de
servicio (368), estaciones mecánicas antiguas/autoconsumos (189) y fuentes
particulares (43) incluida la ex–refinería 18 de marzo, ductos de hidrocarburos,
tanques de almacenamiento, estaciones de bombeo y distribución, entre otras.
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DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
Tabla 1. Síntesis de la metodología empleada para la caracterización de las variables DRASTIC.
Variable
D
R
A
S
T
I
C
Metodología
Datos/fuente
55 mediciones piezométricas (2010) y 169 hidrógrafos procesados para predecir la tasa
de abatimiento > configuración de la profundidad del nivel estático usando geoestadística
> validación usando criterios geológicos > asignación de vulnerabilidad relativa.
Balance diario de suelo-agua para estimar la recarga potencial (2009) que considera tipo de
vegetación, unidades de suelo, topografía, mapa de albedo y variables como lluvia,
temperatura y evapotranspiración potencial (FAO-56; Allen et al. 1998) > asignación de
vulnerabilidad relativa.
Ponderación numérica (Aller et al. 1987) de las unidades saturadas reportadas en cortes
litológicos inferidos reportados por el SACM (2006) > interporalación con Kriging > validación
con criterios geológicos > asignación de vulnerabilidad relativa.
Digitalización del mapa edafológico escala 1:250,000 E14-2 > ponderación numérica de las
unidades de suelo de acuerdo a Aller et al. (1987) > asignación de vulnerabilidad relativa.
Piezometría tomada de
SACM (2006)
Modelos digitales de elevación de la NASA Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) > se
usaron dos escenas de resolución 3 x 3 arcseg > reproyección a UTM usando re-muestreo
bilinear > transformación a mapa de pendientes > asignación de vulnerabilidad relativa.
Ponderación numérica (Aller et al. 1987) de las unidades de la zona vadosa reportadas en
cortes litológicos inferidos, reportados por el SACM (2006) > interporalación con Kriging
> validación con criterios geológicos > asignación de vulnerabilidad relativa.
Re-interpretación de 55 pruebas de bombeo de 6 a 72 horas de duración > interpretación
usando métodos analíticos según el tipo de acuífero analizado (Boulton y Streltsova, 1978;
Cooper y Jacob, 1946; Hantush, 1964; Jacob, 1950; Neuman, 1974) > validación del análisis
reinterpretando 10 pruebas con el modelo numérico en diferencias finitas de Rushton y
Redshaw (1979) y Rathod y Rushton (1984; 1992), que considera el modelo conceptual de dos
capas. Se usó el software Visual Two-Zone Model with Vertical Flow and Leakage, desarrollado
por Hernández-Laloth (2008, sin publicar) que puede descargarse de manera gratuita del sitio
web del Grupo de Hidrogeología de la Facultad de Ingeniería de la UNAM
(www.ingenieria.unam.mx/hydrogeology).
SRTM
Metodología desarrollada
por Carrera-Hernández y
Gaskin (2008)
Datos en SACM (2006)
Carta E14-2 (INEGI,
1983)
Datos en SACM (2006)
Datos originales en SACM
(2006) y VázquezSánchez (1995)
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
En cada punto se levantaron datos de campo y se realizaron entrevistas
exhaustivas con el gerente del lugar, que sirvieron como base para construir una
base de datos que ha incluido: georeferencia, información histórica, tiempo de
operación,
capacidad
de
almacenamiento
de
hidrocarburos,
información
de
sistemas ambientales de monitoreo (si es el caso), etapa de proyecto de
remediación (si es el caso) y ubicación de pozos de extracción de agua subterránea
cercanos. La información se levantó en campo usando un Mapa Móvil Trimble Juno
con receptor GPS, GIS móvil y receptor WAAS para las correcciones en tiempo real.
2.4. Resultados y discusión
2.4.1. Subsidencia
La Figura 5a muestra la variación espacial de la tasa de subsidencia para el período
de 2003 a 2007. Las tasas máximas se estimaron en -343.3 mm/a para la parte
oriental del DF (contorno rojo), y a partir de esta zona, la tasa disminuye hacia el
oeste a -254.8 (contorno naranja), -166.1 (contorno azul claro) y -98 mm/a, en la
zona del centro histórico. Estas tasas concuerdan con valores publicados en
trabajos anteriores en el área de estudio, de -378 mm/a para 1996-2003 (CabralCano et al. 2008), -300 mm/a para 2004-2006 (Osmanoglu et al. 2011) o -387
mm/a para 2003-2007 (López-Quiróz et al. 2009), lo que sugiere un razonable
comportamiento lineal de la subsidencia, al menos desde 1996 a 2007. No
obstante, el desplazamiento vertical en la ciudad de México sigue prevaleciendo
como uno de los más intensos en todo el mundo, superando las tasas reportadas en
Yulin, China (Hung et al. 2010), Cuenca de Teheran, Iran (Dehghani et al. 2010),
Valle de Mashhad, Iran (Motagh et al. 2007) y Jakarta, Indonesia (Abidin et al.
2009) del orden de -100, -227.5 (media), -280 y -250 mm/y, respectivamente.
En la gráfica de la Figura 5b se muestra la validación de las mediciones PSI (20032007) usando datos de P-GPS (2004-2011). Como se puede apreciar, ambas
funciones guardan una correlación bastante buena, con pendientes muy similares
(recordemos que ambas técnicas miden desplazamientos relativos, por tanto la
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subsidencia no debe ser exactamente la misma). Más aún, se verificó que la
subsidencia sigue una tendencia lineal para el período evaluado del tipo:
GPSVD = -220.05t + 441161 (r = 0.9992); PSIVD = -221.9t + 444493 (r = 0.9999)
(4)
Donde el subíndice VD representa el desplazamiento vertical, t el tiempo y r el
coeficiente de correlación de Pearson. Estas ecuaciones pueden usarse como una
herramienta práctica para predecir de manera muy aproximada la subsidencia en la
parte oriental del DF. Por otro lado, la Figura 5c muestra máximos gradientes de
subsidencia (0.05 m/m/a) alrededor de la Sierra de Santa Catarina, Peñón de los
Baños y regiones que en general marcan el límite abrupto de los depósitos lacustres
y las rocas volcánicas estables. Las zonas marcadas en rojo en la Figura 5c,
suponen zonas de riesgo a la infraestructura urbana, por reactivación de fallas y
propagación de fracturas provocadas por efectos de subsidencia diferencial.
El análisis de la causa-raíz de la subsidencia en la ciudad de México está fuera del
alance de esta investigación, sin embargo se sugiere de manera muy general, que
la subsidencia no está controlada exclusivamente por la extracción intensiva, sino
que además existen factores adicionales, como el carácter geomecánico del
acuitardo (elástico vs plástico), espesor del sedimento lacustre, contenido de agua
y despresurización del medio poroso. Hernández-Marín et al. (2005) estudiaron las
propiedades intrínsecas y comportamiento mecánico del acuitardo arcilloso en un
sector del valle de Chalco, determinando una porosidad del 70-90%, contenido del
agua del 200-400% y límites de Attenberg de 50-350% en los primeros 15 m. Con
estos datos concluyen que el acuitardo se deforma como un geomaterial plástico en
condiciones naturales, independientemente del estrés al que sea sometido.
Especialidad: Ingeniería Geológica
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Figura 5. Subsidencia en la ciudad de México (DF) con base en los resultados del análisis PSInSAR. (a) Tasa de subsidencia anual,
para un período observado de 2003-2007, (b) correlación entre los datos PSI y GPS, (c) variación espacial del gradiente de
subsidencia para el mismo período. Las isolíneas de las figuras (a) y (c) muestran el espesor del acuitardo configurado con base en
los cortes litológicos inferidos del SACM (2006).
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Figura 6. Mapas de vulnerabilidad relativa normalizada (1-10) de: la profundidad del nivel del agua subterránea (D), recarga vertical
(R), litología acuífera (A), tipo de suelo (S), topografía (T), litología de la zona vadosa (I), conductividad hidráulica saturada (C) y
gradiente de subsidencia (Sg).
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2.4.2. Vulnerabilidad relativa
Se generaron los mapas de vulnerabilidad relativa normalizada de cada variable del
modelo DRASTIC-Sg. Véase por ejemplo la Figura 3. La Figura 3a muestra la
configuración de la profundidad del nivel del agua subterránea (2010) que varía de
50-170 m (excluyendo algunas zonas puntuales de carga hidráulica potenciométrica
controladas por semiconfinamientos). La Figura 3b muestra esas profundidades del
nivel estático en términos de vulnerabilidad relativa, manifestando la variación de la
puntuación de 1 (niveles ≥ 170 m, muy baja vulnerabilidad) hasta 6.5 (niveles de
50-60 m, moderada vulnerabilidad).
De esta manera, se muestra en la Figura 6 un mosaico de los mapas de la
vulnerabilidad relativa normalizada para las 8 variables del modelo DRASTIC-Sg,
donde los colores azules muestran la menor vulnerabilidad asociada a ese
parámetro en específico, los verdes-amarillos muestran vulnerabilidades moderadas
y los naranjas-rojos denotan las vulnerabilidades más altas.
2.4.3. Mapas de la vulnerabilidad del acuífero de la ciudad de México
La Figura 7 muestra la variación espacial del índice DRASTIC-Sg en el acuífero de la
ciudad de México, para el área del DF. El índice varía de 57.8 a 159.8 unidades.
Con objeto de simplificar la lectura visual de la configuración, el mapa se reclasificó
a una cartografía de zonificación de la VAS (Figura 8), categorizando 5 clases: (1)
vulnerabilidad muy baja (57.8-78), (2) baja (78-99), (3) moderada (99-119), alta
(119-139) y muy alta (139-159.8).
Como se muestra en el mapa de la Figura 8, las zonas del acuífero más susceptibles
a contaminarse de todo el DF, se localizan en sectores reducidos del sureste de la
Sierra de Santa Catarina, donde se localizan escorias volcánicas y gradientes altos
de subsidencia. También, esta clase fue detectada en sectores puntuales en las
delegaciones de Tlalpan y Coyoacán; 4.48 km2 del DF se emplazan en una zona de
vulnerabilidad acuífera extrema.
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
Figura 7. (a) Mapa del índice DRASTIC-Sg, (b) mapa del índice DRASTIC. En ambas figuras se muestra la distribución de las fuentes
potenciales de contaminación por hidrocarburos.
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Figura 8. Mapa de la zonificación de la vulnerabilidad del acuífero de la ciudad de México (DF) usando los modelos DRASTIC-Sg (a) y
DRASTIC (b). Se muestran en ambas figuras el volumen almacenado de combustible (m3) en estaciones de servicio.
Especialidad: Ingeniería Geológica
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La clase de vulnerabilidad acuífera alta se localiza en tres zonas mayores: (1) límite
sureste de la zona de estudio en la Sierra del Chichinautzin, (2) la parte central del
DF (Tlalpan y Coyoacán) y (3) el límite oriental de los alrededores de la Sierra de
Santa Catarina.
La clase de vulnerabilidad moderada es la más ampliamente distribuida en la zona
de estudio. Ocupa 37% del DF equivalente a 552.56 km2. La vulnerabilidad baja
ocupa 35% del área, mientras que la zona de vulnerabilidad más baja a la
contaminación, se localiza en parte de la Sierra de las Cruces, ocupando un 20%
del DF (300 km2).
2.4.4. Comparación entre el modelo DRASTIC-Sg y el método DRASTIC
Con objeto de analizar objetivamente la influencia del parámetro Sg, el mapa de
vulnerabilidad del ACM se generó usando la metodología existente DRASTIC. La
comparación se muestra en las figuras 7 (índices), 8 (zonificación) y 9 (histograma
de pixeles). Los resultados indican que el índice tuvo un aumento de 53.8-115.8 a
57.8-159.8, efecto común cuando se agrega un nuevo parámetro en un método
basado en puntuaciones (e.j. Denny et al. 2007).
Como se muestra en la Figura 8 (a y b), el impacto general de los altos gradientes
de subsidencia generan un aumento en la vulnerabilidad en una o hasta dos clases.
Por ejemplo, usando DRASTIC se determinó en la planicie lacustre una clase baja
vulnerabilidad, sin embargo en este mismo sector, la vulnerabilidad aumentó a una
clase moderada, cuando se incluyó el parámetro Sg en el modelo.
Un análisis estadístico simple (Figura 9), sugiere que existe un desplazamiento en
la escala del índice de vulnerabilidad y un efecto de incremento-decremento en las
áreas superficiales de cada clase de vulnerabilidad. Es notable observar que las
clases de muy baja y baja vulnerabilidad, disminuyeran en áreas del 41 al 35% y
del 23 al 20%, respectivamente.
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
En contraste, la clase moderada, alta y muy alta aumentó del 31 al 37, 6 al 8 y 0.1
a 0.3%, respectivamente. Particularmente para la clase muy alta, el aumento
representa un cambio en la superficie de 15 a 45 km2 del DF.
Figura 9. Histograma de pixeles mostrando un comparativo entre DRASTIC-Sg y DRASTIC.
Aunque el cambio en las áreas de cada clase no parece significativo, hay que
recordar que tan solo el ~25% del área superficial del DF está sometida a procesos
importantes de subsidencia, por lo que el 75% del mapa de vulnerabilidad entre
DRASTIC y DRASTIC-Sg es exactamente el mismo. Si se considera únicamente la
zona significativa de subsidencia (sector oriental de la isolínea de -10 mm/a,
marcada en las figuras 7 y 8, a partir de la cual las tasas de subsidencia se
incrementan), las diferencias entre áreas son más claras: 2.5% (DRASTIC-Sg) vs.
13% (DRASTIC) para una clase muy baja; 33.4% (DRASTIC-Sg) vs. 51.5%
(DRASTIC) para una clase baja; 49.6% (DRASTIC-Sg) vs. 28.4% (DRASTIC) para
una clase moderada; 13.6% (DRASTIC-Sg) vs. 7% (DRASTIC) para para una clase
alta y 1% (DRASTIC-Sg) vs. 0% (DRASTIC) para una clase extrema.
Especialidad: Ingeniería Geológica
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
Más aún, se analizó el comportamiento de la tasa y gradiente de subsidencia en
cada
clase
de
vulnerabilidad
para
ambos
modelos,
apuntando
resultados
interesantes y tendencias opuestas. En general, tal como se muestra en la tabla 2,
DRASTIC exhibe altos efectos de subsidencia diferencial (y por tanto valores altos
del parámetro Sg), en las zonas “más seguras” en términos de vulnerabilidad
acuífera (clase muy baja y baja), revelando una tendencia de alta subsidencia
diferencial-baja vulnerabilidad acuífera. Esta no es la tendencia esperada porque
los altos gradientes sugieren zonas actuales y/o futuras de generación y
reactivación de fallas y fracturas superficiales, aumentando la permeabilidad
secundaria de la zona vadosa somera, y por ende incrementando la vulnerabilidad
acuífera.
En contraste, en el modelo DRASTIC-Sg, un aumento del parámetro Sg (media)
produce un aumento en la VAS, lo que sugiere un comportamiento más consistente
e indicativo de una tendencia de alta subsidencia diferencial-alta vulnerabilidad
acuífera.
Tabla 2. Comportamiento de la tasa y gradiente de subsidencia para cada clase de
vulnerabilidad y para ambos modelos
DRASTIC-Sg
DRASTIC
Modelo
Clase de
vulnerabilidad
acuífera
Muy baja
Baja
Moderada
Alta
Muy alta
Muy baja
Baja
Moderada
Alta
Muy alta
Tasa de subsidencia
(mm/a)
Min
-0.0057
-0.0035
-0.0006
-0.0117
-0.0999
-0.0057
-0.0035
-0.0006
-0.0117
-0.0999
Max
-278.74
-343.60
-212.06
-112.65
-8.09
-272.75
-339.27
-343.60
-211.27
-142.00
Media
-26.45
-46.86
-10.90
-8.40
-2.70
-6.70
-40.29
-29.96
-21.32
-37.73
Gradiente de
subsidencia, Sg
(m/m/a)
Min
Max
Media
0
0.0491 0.0009
0
0.0548 0.0021
0
0.0327 0.0007
0
0.0158 0.0007
0
0.0019 0.0004
0
0.0059 0.0003
0
0.0164 0.0010
0
0.0548 0.0017
0
0.0548 0.0022
0
0.0169 0.0073
Área
superficial
(%)
DF
RS
23
13
41
51.5
31
28.4
6
7
0.1
0
20
2.5
35
33.4
37
49.6
8
13.6
0.3
1
DF: 100% del área de Distrito Federal; RS: Región de Subsidencia comprendida al este de
la isolínea de -10 mm/a, marcada en las figuras 7 y 8.
Especialidad: Ingeniería Geológica
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
Con base en estos resultados, concluimos que la aplicación del método DRASTIC en
su versión original, puede subestimar la vulnerabilidad del agua subterránea en
acuíferos afectados por procesos de subsidencia diferencial, y por tanto el modelo
DRASTIC-Sg propuesto, permitirá caracterizar mapas de vulnerabilidad acuífera
más reales, particularmente en este tipo de entornos.
2.4.5. Utilidad de la herramienta DRASTIC-Sg y algunas limitaciones
Es importante resaltar que el mapa de zonificación de la vulnerabilidad del acuífero
de la ciudad de México, usando el modelo DRASTIC-Sg propuesto, debe tomarse en
cuenta solamente como una herramienta adicional para la toma de decisiones
relacionadas con el acuífero. Debe entenderse que los mapas de vulnerabilidad
tienen
limitaciones
intrínsecas
y
no
sustituyen
de
ninguna
manera
otras
herramientas como la hidrogeoquímica, modelado numérico, estudios de riesgo o
proyectos de remediación para mitigar potenciales sitios contaminados. Teniendo
esta consideración en mente, el mapa propuesto representa un elemento más de
comparación y evaluación que podrá ser utilizado por la autoridad hídrica y
medioambiental, para:
1. Identificar de una manera semicuantitativa, aquellas zonas acuíferas que por sus
características hidrogeológicas sean más propensas a contaminarse por fuentes
superficiales,
2. Direccionar
nuevos estudios hidrogeológicos en dos principales zonas: (1)
aquellas donde se hayan identificado incertidumbres durante la ejecución del
proyecto y (2) aquellas zonas que se hayan clasificado como sectores de muy alta
vulnerabilidad acuífera (Foster, S., 2012, comunicación personal en el congreso de
la AIH-2012, Niagara, Canada; Asesor del Banco Mundial en temas del agua),
3. Tomar como base el mapa para diseñar un plan de monitoreo de calidad del
agua, donde se incluya el muestreo periódico de aquellos pozos localizados en
zonas de alta y muy alta vulnerabilidad,
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4. Gestionar las fuentes potenciales y activas de contaminación (hidrocarburos
principalmente) considerando la vulnerabilidad del acuífero como criterio eje. En
esta línea, el mapa de vulnerabilidad aportará información importante sobre la
jerarquización, regulación, vigilancia y ubicación (o re-ubicación) de fuentes de
contaminación.
5. Mejorar la gestión del acuífero, considerando un nuevo modelo de manejo que
integre riesgos ambientales, urbanos, hídricos, geológicos y de control de fuentes
contaminantes en un entorno GIS.
Por otro lado, es importante considerar que esta investigación tiene ciertas
limitaciones que conviene tomar en cuenta cuando se interpreten los resultados:
1. La correlación espacial de datos geológicos e hidrogeológicos siempre conlleva
un nivel de incertidumbre que en ciertas ocasiones es muy difícil de evaluar,
2. Los parámetros A e I, así como la variación espacial del espesor del acuitardo, se
generaron con base en la información oficial de 372 cortes litológicos (SACM,
2006). Sin embargo se detectaron al menos 210 cortes con inconsistencias
geológicas relacionadas con espesores, nomenclatura, correlación estratigráfica,
clasificación petrológica, correlación con la geología superficial e incluso ubicación.
Se estima que la gran mayoría de estos cortes no fueron levantados en campo por
geólogos profesionales durante la perforación y por lo tanto fue necesario realizar
procesamientos geológicos adicionales, para resarcir en la medida de lo posible esta
situación,
3. El parámetro D se basó en mediciones de la profundidad del nivel del agua
subterránea directamente en pozos de extracción, cuyas
desconocimiento
del
diseño
constructivo
en
varias
limitaciones son:
captaciones;
posiciones
extendidas de la tubería ranurada que generan una mezcla de la carga hidráulica de
varios
niveles
acuíferos;
incertidumbre
sobre
la
influencia
de
cargas
potenciométricas en sectores confinados/semiconfinados mezclados con niveles
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freáticos en sitios donde el acuífero es libre y se ha drenado lo suficiente para que
la superficie de saturación descienda por debajo del techo del acuífero; influencia
de decenas de pozos con regímenes de operación heterogéneos que enmascaran el
verdadero sentido del concepto “nivel estático” y escasas mediciones derivadas de
pozos de observación con historiales piezométricos robustos.
4. El parámetro C se basa en la reinterpretación de pruebas de bombeo tomadas de
estudios anteriores (SACM, 2006; Vázquez-Sánchez, 1995), que a su vez fueron
ejecutadas en campo en la década de los 80s. Es imprescindible actualizar pruebas
de bombeo que consideren tiempos más amplios de extracción, instalación de
pozos
de
observación,
mediciones
automatizadas
del
nivel
dinámico
(e.j.
transductores de presión y calidad del agua) y una interpretación holística que tome
en cuenta métodos analíticos, numéricos y nuevas metodologías derivadas de la
ingeniería petrolera, como las curvas diagnóstico y los análisis derivativos de la
función abatimiento (Renard, et al. 2009).
2.5. Conclusiones
En este trabajo se propone una modificación del método DRASTIC, para evaluar la
vulnerabilidad de acuíferos afectados por subsidencia diferencial del terreno,
llamada Modelo DRASTIC-Sg. Este modelo se desarrolló tomando como casoestudio el acuífero de la ciudad de México (en el sector del DF), que ha sido
catalogado como una de las zonas urbanas más seriamente afectadas en el mundo
por este fenómeno.
Se emplearon sensores remotos para caracterizar la variación espacio-temporal de
la subsidencia, usando la técnica PSInSAR (2003-2007) y estaciones permanentes
de GPS (2004-2011). Los resultados de los dispersores puntuales (PSIs) muestran
una tasa máxima de -343.6 mm/a de subsidencia, así como un hundimiento del
orden de -98 mm/a, en el centro histórico. Además se obtuvo una buena
correlación entre las mediciones PSI y estaciones de GPS, que sugieren que la
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subsidencia en la ciudad sigue una tendencia lineal, al menos durante el período
evaluado (2003-2011).
Aunque la causa-raíz de la subsidencia en la ciudad está fuera del alcance de este
estudio, se concluye que el hundimiento no está exclusivamente ligado a la
extracción intensiva del agua subterránea, como factor singular. Existen variables
adicionales como la variación del espesor del acuitardo, contenido de agua,
características elasto-plásticas y despresurización del medio poroso que sin duda
juegan un rol importante.
El mapa de zonificación de la VAS usando el modelo DRASTIC-Sg muestra que las
zonas acuíferas más vulnerables a contaminarse, se localizan en sectores reducidos
en la parte sureste de la Sierra de Santa Catarina y algunos puntos aislados en las
delegaciones de Tlalpan y Coyoacán. La clase más ampliamente distribuida en el
mapa es la zona de vulnerabilidad moderada, ocupando un 37% del área superficial
del DF.
Una comparación entre DRASTIC y DRASTIC-Sg sugiere que la metodología original
puede subestimar la vulnerabilidad en acuíferos afectados por efectos de
subsidencia diferencial que generan la ocurrencia, reactivación y propagación
continua de fracturas y discontinuidades que aumentan la permeabilidad secundaria
de la zona vadosa somera, y por tanto incrementan la posibilidad de contaminación
acuífera. Se considera por tanto que el modelo DRASTIC-Sg puede representar
mapas de vulnerabilidad acuífera más fiables, en este tipo de entornos. Por último
se recomienda que el mapa de zonificación de la vulnerabilidad mostrado en la
Figura 8a, se utilice como una herramienta más de comparación, evaluación y
análisis para mejorar las prácticas de gestión ambiental, hídrica, urbana y de
control de fuentes contaminantes en la ciudad de México.
Especialidad: Ingeniería Geológica
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
2.6. Referencias
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Especialidad: Ingeniería Geológica
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
3. Agradecimientos
Este proyecto se llevó a cabo bajo la convocatoria CONACyT-Fondo Mixto para la
Investigación científica y Tecnológica, financiado por el CONACyT y el antiguo
ICyTDF, hoy en día Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación del Distrito
Federal (financiamiento otorgado a A. Hernández-Espriú), proyecto clave 121128.
Se agradece la extraordinaria colaboración de: E. Cabral-Cano por el procesamiento
del análisis PSInSAR; J. Carrera-Hernández por el desarrollo del modelo de recarga
vertical; E. Sánchez-León por la coordinación de varios aspectos del proyecto; A.
Arias, J.L. Arcos y M. Vidal por el tiempo invertido durante el inventario de fuentes
de contaminación en campo; muy especialmente a J.A. Reyna-Gutiérrez y S.
Macías-Medrano por el continuo soporte durante la elaboración de la herramienta
GIS, así como a Fernando Olalde y Jaime Ravelo (Secretaría del Medio Ambiente del
Distrito Federal) por todo el apoyo logístico brindado durante el desarrollo de esta
investigación. Finalmente agradezco profundamente la colaboración del Ing. Héctor
Luis Macías González, inspiración profesional para que el autor sea hoy en día un
hidrogeólogo apasionado del estudio de las aguas subterráneas.
Especialidad: Ingeniería Geológica
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
4. Breve Currículum Vitae de Antonio Hernández-Espriú
4.1. Grados académicos
Doctorado (2010), Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Geológicas.
Graduado con la distinción Summa Cum Laude.
Tesis Doctoral: “Estrategia integral de remediación en un sitio contaminado por
hidrocarburos: Simulación de los procesos de descontaminación de suelos y acuíferos con
modelación matemática y análisis en laboratorio”.
Posgrado (2004), Programa Internacional de Hidrología Subterránea,
Universidad Politécnica de Cataluña, Facultad de Ingeniería del Terreno.
38
Edición,
Ingeniería geológica (2002), Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de
Ingeniería (Mención especial).
4.2. Desempeño profesional
2011 – Actual, Jefe de la División de Ingeniería en Ciencias de la Tierra, Facultad de
Ingeniería, UNAM.
2011 – Actual, Profesor/Investigador de carrera Titular “A”, T.C., definitivo. División
de Ingeniería en Ciencias de la Tierra, Facultad de Ingeniería, UNAM.
2008 – 2011, Profesor/Investigador de carrera Asociado “C”, T.C., a contrato.
División de Ingeniería en Ciencias de la Tierra, Facultad de Ingeniería, UNAM.
2007 – 2008, Jefe del Departamento de Ing. Geológica, División de Ingeniería en
Ciencias de la Tierra, Facultad de Ingeniería, UNAM.
2006 – 2007, Gerente de Geohidrología, COPEI Ingeniería, S.A. de C.V.
2004 – 2006, Jefe de Hidrogeología y Sitios Contaminados, Corporación Ambiental de
México, S.A. de C.V.
2002, Ingeniero de Proyecto, COPEI Ingeniería, S.A. de C.V.
1999 – 2001, Ingeniero de Campo, Servicios Industriales Peñoles, S.A. de C.V.
4.3. Distinciones
2013, Academia de Ingeniería.
2013, PRIDE Nivel “D”, UNAM.
2012, Representante en México del Programa Internacional de Hidrología Subterránea,
Barcelona, España.
2011, Sistema Nacional de Investigadores, Nivel “Candidato”.
2011, Definitividad y Promoción a Profesor Titular “A”, T.C., UNAM.
2010, Summa Cum Laude, Defensa de Tesis Doctoral, UCM.
Especialidad: Ingeniería Geológica
DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México
4.4. Publicaciones en revistas arbitradas
Hernández-Espriú, A., Sánchez-León, E., Martínez-Santos, P., Luis G. Torres (2013),
Remediation of a diesel-contaminated soil from a pipeline accidental spill: enhanced
biodegradation and soil washing processes using natural gums and surfactants, Journal of
Soils and Sediments, 13, 152-165, doi: 10.1007/s11368-012-0599-5.
Martínez-Santos, P., Díaz-Alcaide, S., Castaño-Castaño, S., Hernández-Espriú, A., (2013),
Modelling discharge through artesian springs based on a high-resolution piezometric
network, Hydrological Processes, doi: 10.1002/HYP.9760.
Hernández-Espriú, A., Domínguez-Mariani, E., Reyna-Gutiérrez, J.A., Martínez-Santos, P.,
Sánchez-León, E., Marín, L.E., (2013), Nitrate mass balance in agricultural areas of
intensive fertilizer application: The North Maresme aquifer system case study. Boletín de la
Sociedad Sociedad Geológica Mexicana, 65, 39-50.
Marín, L., Torres, V., Bolongaro, A., Reyna-Gutiérrez, J.A., Pohle, O., Hernández-Espriú,
A., Chavarría, J., García-Barrios, R., Parra Tabla, H. (2012), Identifying suitable sanitary
landfills using a GIS: the Lomas de Mejia, Morelos example. Physics and Chemistry of the
Earth, 37-39, 2-9, doi:10.1016/j.pce.2011.12.003.
Ortiz, M., Reyna-Gutiérrez, J.A., Hernández-Espriú, A., Marín, L (2010), Comparison of
regional elevations heights in the Aguascalientes Basin using DGPS technique with INEGI’s
Digital Terrain Model. Geofísica Internacional, 49(4), 195-199.
Marín, L., Balcázar, M., Ortiz, M., Steinich, B., Hernández-Espriú, A (2008). Comparison
of Elevation heights using a Differential Global Positioning System (DGPS) and a Total
Station. Geofísica Internacional, 47(1), 81-83.
4.5. Desarrollo académico y profesional

Coordinación técnica de 51 proyectos de hidrogeología e ingeniería geológica.

Autor y coautor de 5 capítulos de libros.

21 participaciones en congresos nacionales e internacionales.

Docencia en posgrado: Geohidrología, Especialidad de “Hidráulica”, FI, UNAM.

Docencia en licenciatura: Hidrogeología; exploración de aguas subterráneas;
geología ambiental; hidrogeología de contaminantes.

14 Tesis dirigidas (2 de posgrado y 12 de licenciatura).

45 participaciones en exámenes profesionales y de grado.

Creador y coordinador del Grupo de Investigación de Hidrogeología de la Facultad de
Ingeniería de la UNAM (www.ingenieria.unam.mx/hydrogeology; cuenta de twitter:
@hydrogeologymx).
Especialidad: Ingeniería Geológica