Memorias de resúmenes en extenso SELPER-XXI-México-UACJ-2015 IDENTIFICACIÓN DE ÁREAS POTENCIALES DE RECARGA HÍDRICA AL ACUÍFERO CUAUHTÉMOC (CHIHUAHUA), MEDIANTE UNA EVALUACIÓN ESPACIAL MULTI-CRITERIO. Luis Carlos BRAVO PEÑAa; David Adrián SÁENZ LÓPEZb, Luis Carlos ALATORRE CEJUDOc, Ángel PRIEGO SANTANDERd, María Elena TORRES OLAVEe, Alfredo GRANADOS OLIVASf. a, c, y f. Profesores Investigadores Programa de Licenciatura en Geoinformática, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. b Egresado del Programa de Licenciatura en Geoinformática. d Profesor Investigador del Centro de Investigaciones en Geografía Ambiental, UNAM. RESUMEN Se realizó una evaluación multi-criterio (EMC) para ubicar áreas de recarga del acuífero Cuauhtémoc, uno de los acuíferos en condición más crítica de Chihuahua. Mediante la EMC se generó una zonificación de áreas potenciales de recarga, a partir de la construcción, ponderación y superposición de capas como geología, densidad de fracturas y alineamientos, edafología, uso del suelo y cubierta vegetal, y el grado de desarrollo de la red superficial de drenaje en el área que alimenta al acuífero (3298 km2). Los resultados sugieren que el 74.34 % de esta superficie presenta aptitud Muy Alta y Alta como área de recarga e infiltración al acuífero. Se discuten las ventajas del método para orientar los trabajos prospectivos en campo, y para definir prioridades de regulación ambiental encaminadas a la protección de acuíferos. Palabras clave: Áreas de Recarga, Evaluación Multicriterio, Acuífero Cuauhtémoc. ABSTRACT A multi-criteria evaluation (EMC) was performed to locate recharge areas on Cuauhtémoc aquifer, one of the aquifers in most critical situation on Chihuahua State. By this evaluation was generated a zoning of potential recharge areas through construction, weighting and combining geographical layers as geology, fracture and alignment density, soil, land use and land cover, and the network of surface drainage in the basin area that feeds the aquifer (3298 km2). The results suggest that the 74.34 % of this basin area shows high and very high suitability as recharge area and infiltration into the aquifer. The advantages of the method are discussed, focusing in its utility to guide prospective field work, and to defining local priorities of environmental regulations. Palabras clave: Recharge Areas, Multicriteria Evaluation, Cuauhtémoc Aquifer. 1 INTRODUCCIÓN El Acuífero Cuauhtémoc es uno de los acuíferos más sobre-explotados de Chihuahua (Díaz Caravantes et al., 2013). Ha presentado disminuciones del nivel estático muy acentuadas en las últimas dos décadas (Alatorre et al., 2014), por lo que son necesarias acciones que favorezcan la recarga hídrica y la recuperación del manto freático (Sáenz, 2015). Para contribuir a la solución de la situación anterior, en este trabajo se realizó una Evaluación Multicriterio (EMC) orientada a la identificación de áreas con potencial de habilitarse como zonas de recarga en el área de captación de este acuífero. En la EMC se combinaron un conjunto de factores espaciales que permiten la recarga hídrica, identificándose la 12-16 de Octubre de 2015, Ciudad Juárez, Chihuahua, México. Memorias de resúmenes en extenso SELPER-XXI-México-UACJ-2015 solución espacial óptima para facilitar este proceso hidrogeológico. El análisis o evaluación multicriterio (EMC) se define como un conjunto de técnicas orientadas a asistir en procesos de decisión (Sumathi, Natesan, & Sarkar, 2008). Se basa en la ponderación y combinación de variables en un sistema de información geográfica, bajo un esquema de integración cartográfica que permite generar un índice de aptitud del suelo (Eastman, 2012) para un uso o actividad determinada. Permite orientar el emplazamiento geográfico de distintas actividades humanas (Romano et al., 2015), y se ha utilizado con éxito en la identificación de sitios de recarga hídrica, o que son importantes por sus funciones ambientales (Pedrero et al., 2011; Rahman 2012; Rahman et al., 2013). por rocas ígneas extrusivas –ignimbritas, riolitas, dacitas, tobas, andesitas y basaltos-, de muy baja permeabilidad, prácticamente no hay flujo de agua subterránea hacia cuencas vecinas, o viceversa (Alatorre et al, 2014; CONAGUA op cit). Vinculado con este fenómeno, la totalidad del agua que infiltra y recarga el acuífero, se capta en la cuenca de drenaje (CONAGUA, 1991). En las partes más bajas del área de captación se encuentra una extensa planicie de material aluvial, ocupada casi en su totalidad por distintas actividades humanas. Destacan los usos agropecuarios, con una elevada demanda de agua subterránea (COLPOS, 2007). 2 METODOLOGÍA Para la generación del modelo de EMC, se identificaron seis factores espaciales: 1) pendiente, 2) geología, 3) densidad de fracturas y alineamientos, 4) edafología, 5) uso del suelo y 6) número de infiltración; utilizados con éxito por otros autores en la ubicación de áreas de infiltración (Hsin-Fu et al., 2009; Matus et al., 2009; Pedrero et al., 2011; Sáenz 2015), Senanayake., 2015). Estos factores fueron cartografiados a partir de información digital preexistente, o bien mediante fotointerpretación, procesamiento espectral, y edición de bases de datos cartográficos; en plataforma de sistemas de información geográfica. Los mapas de geología y edafología se cortaron mediante una operación de álgebra de mapas en la cartografía publicada por INEGI (2007). El mapa de pendientes se generó mediante la aplicación de operadores de contexto espacial al Modelo Digital de Elevación del Terreno provisto en el Continuo de Elevaciones Mexicano (INEGI, 2013). El mapa de número de infiltración (NI), que indica el grado de desarrollo de la red superficial de drenaje (Paine & Kiser, 2012) se obtuvo a partir de actualizar la red de drenaje mediante fotointerpretación en una imagen Landsat 8, del año 2014, con resolución de 15 por 15 m en la banda del pancromático. Una vez actualizada, se calculó la Densidad de Drenaje (Dd) y la Frecuencia de Escorrentías (Fe) en una malla de 1 2.1 Área de estudio El área de captación del Acuífero Cuauhtémoc (Figura 1) se sitúa entre los 28° 18´ y 28° 55´ de latitud norte, y los 106° 30´ y 107° 15´ de longitud oeste, en la región centro-oeste de Chihuahua. Superficialmente corresponde a un cuenca endorreica de 3298.15 km2, que drena hacia un somero cuerpo de agua interior conocido como laguna Bustillos, que es indicadora del nivel estático del acuífero. Figura 1. Área de Captación del Acuífero Cuauhtémoc. El acuífero se comporta como libre (CONAGUA, 2000). Sin embargo, debido a que el parteaguas de su área de captación se integra por un sistema de montañas y elevaciones constituidas 2.2 Identificación de factores y generación de cartografías 12-16 de Octubre de 2015, Ciudad Juárez, Chihuahua, México. Memorias de resúmenes en extenso SELPER-XXI-México-UACJ-2015 km por un km, distribuida en toda el área de captación, con base en las fórmulas 1,2 Y 3: 1) Frecuencia de escorrentías. Fs= Nu / A Dónde: Nu: número total de escorrentías. A: unidad de área (1 km2). segmentos de 2) Densidad de drenaje. Dd= ∑Lu / A Dónde: ∑Lu: total longitudinal de escorrentías. A: unidad de área (1 km2). 3) Numero de infiltración. If= Fs * Dd El mapa de densidad de fracturas y alineamientos se obtuvo inicialmente de la cartografía geológica de INEGI, pero fue actualizado mediante fotointerpretación, en la misma imagen Landsat 8 y en la imagen sombreada del MDE de la zona. En este caso también se utilizó una malla de un km por un km, para el cálculo de la densidad de fracturas y alineamientos en la plataforma SIG, con base en la fórmula 4. 4) Densidad de Fracturas. Df= ∑Fa / A Dónde: ∑Fa: Longitud total de fracturas y alineamientos. A: unidad de área (1 km2). Por lo que respecta al mapa de Uso del Suelo y Vegetación, este se tomó de la cartografía publicada por Bravo Peña et al (2015), que describe y delimita los usos del suelo y la cubierta vegetal predominante en la zona al año 2014, con niveles de fiabilidad global superiores al 90 %. Cada una de las capas anteriores se subdividió en rangos de aptitud, con base en la idoneidad que presentan al proceso de recarga hídrica. Para esto se tomaron en cuenta los criterios de Matus et al (2009); Sáenz (2015); Gómez & Soriano (2013); Hsin-Fu et al (2009); quienes también han desarrollado Evaluaciones Multicriterio para identificar zonas con potencial de recarga. Bajo el esquema de reclasificación elegido, se asignaron las siguientes categorías a cada rango de aptitud: 1 (Muy Baja), 2 (Baja), 3 (Media), 4 (Alta) y 5 (Muy Alta); conforme se describe en la tabla 1: Tabla 1. Grados de aptitud por factor. Factor Aptitu d Pendiente ° (Pe) 0-6° 5 6-15° 4 15-45° 3 45-65° 2 Mayor a 65° 1 Geología (Ge) Aluvial, Eólico 5 Arenisca, Conglomerado 4 Conglomerado 3 Andesita, Granodiorita, Riolita, Toba Acida 2 Basalto 1 Densidad de Fracturas y Alineamientos (km/km2) (Dfa) 2.59 y mayores 5 1.94-2.58 4 1.29-1.93 3 0.64-1.28 2 0-0.63 1 Edafología (Ed) Cambisol, Phaozem, Regosol, Umbrisol 3 Luvisol, Planosol 2 Durisol, Gleysol, Leptosol, Vertisol 1 Uso del suelo y Vegetación (USV) Bosques, matorrales, Veg. riparia. 5 Agricultura de perennes (huertas). 4 Agricultura de anuales 3 Asentamientos Humanos 2 Cuerpos de Agua 1 Número de infiltración (NI) 0-6.57 5 6.58-18.26 4 18.27-39.04 3 39.05-101.15 2 101.16 y mayores 1 Una vez clasificados en niveles de aptitud, los factores fueron ponderados mediante el Proceso de Jerarquía Analítica (AHP). Esta técnica permite asignar un peso numérico o jerarquía de importancia, a los factores que definen la aptitud del territorio para un objetivo o política particular (Rahman et al., 2012). AHP involucra la construcción de una matriz que permite comparar pares de variables entre sí, excluyendo en cada 12-16 de Octubre de 2015, Ciudad Juárez, Chihuahua, México. Memorias de resúmenes en extenso SELPER-XXI-México-UACJ-2015 comparación variables ajenas al par (Russo & Camanho, 2015), facilitando su ponderación. Posterior a esta ponderación, se realizó la EMC, mediante una sumatoria lineal ponderada, que integra los pesos de cada factor, según la ecuación 5: Ap = ∑w x 5) i i Donde: Ap= Aptitud para la recarga hídrica w= Peso del factor x= Factor poco menos del 50 % de su área en los rangos Altos y Muy Altos. El primero debido al grado muy elevado de transformación antropogénica de la cubierta vegetal en el área de captación, y el segundo debido a la amplia distribución espacial de suelos poco permeables en la misma zona (Bravo et al., 2015). Al respecto cabe decir, que en el área agrícola de captación es común la quema de esquilmos agrícolas al final de las temporadas de cultivo, y esto provoca la deposición de residuos orgánicos, que generan hidrofobicidad en el suelo (Brooks, Ffolliott, & Magner, 2013). 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Cada uno de los factores evaluados mostró alta y muy alta aptitud para la recarga hídrica (Tabla 2, Figura 3). Tabla 2. Suma de las áreas con aptitud Alta y Muy Alta por Factor. Factor Pendiente Geología Densidad Fracturas Edafología Uso del Suelo Número de Infiltración Aptitud Alta y Muy Alta (km2) 2771.913 380.553 37.646 1011.116 1449.282 2948.004 % 89.04 11.53 1.14 30.65 43.94 89.38 Salvo en el caso de Densidad de Fracturas y Alineamientos, en todos los factores se observa que las áreas de Alta y Muy Alta Aptitud no se restringen a zonas muy localizadas del área de captación (Figura 3). Pendiente y Número de Infiltración alcanzaron porcentajes muy elevados en su superficie de Alta y Muy Alta aptitud (89.04 y 89.38 %), mientras que los valores más bajos correspondieron a Geología y Densidad de Fracturas y Alineamientos. En particular, este último sumó un área pequeña en los niveles de aptitud Altos y Muy Altos, pues las fracturas y alineamientos se localizan en las montañas que delimitan el área de captación, teniendo una distribución relativamente restringida respecto a los otros factores. Por lo que se refiere a los factores Uso del Suelo y Edafología, estos suman Figura 3. Distribución de la Aptitud por Factor. El análisis de jerarquías (AHP) priorizó, en orden de importancia, factores físicos como la pendiente, geología, densidad de fracturas y 12-16 de Octubre de 2015, Ciudad Juárez, Chihuahua, México. Memorias de resúmenes en extenso SELPER-XXI-México-UACJ-2015 alineamientos, y edafología. Posteriormente factores antropogénicos como el uso del suelo, y en último lugar el factor número de infiltración (Tabla 3). Tabla 3. Pesos asignados por Factor. Factor Pendiente Geología Densidad Fracturas y Alineamientos Edafología Uso del Suelo Número de Infiltración Sumatoria Peso 0.3530 0.2222 0.1510 0.1496 0.0836 0.0406 1 distribución muy restringida (1.97 y 0.02 % respectivamente), básicamente en las zonas de las montañas donde la pendiente es pronunciada, y donde las condiciones de permeabilidad asociadas a los otros factores no favorecen la recarga (basaltos, ausencia de fracturas, suelo impermeable, etc.). Las zonas de aptitud Muy Alta, por su parte, tuvieron una distribución relativamente restringida (3.82 %), aunque mayor a la alcanzada por la superficie con aptitud baja y muy baja (Tabla 4). Tabla 4. Superficie ocupada por nivel de aptitud. Nivel de Aptitud Muy Baja Baja Media Alta Muy Alta La generación de una sumatoria lineal ponderada con los pesos asignados a cada factor evidenció las zonas que tienen mayor potencial natural de recarga al acuífero (Figura 3, Tabla 4). Figura 3. Áreas potenciales de recarga natural. En términos de la superficie ocupada, dominó la categoría de Alta Aptitud (70.52 %), que se distribuye en toda el área de estudio. Le siguió la categoría de Aptitud Media (24.68 %), que ocurre fundamentalmente en las zonas de montaña (pendientes medias y altas), y en las zonas de baja pendiente donde los usos del suelo u otro factor resultan limitantes serios a la permeabilidad. Las áreas de aptitud Baja y Muy Baja tuvieron una Área (km2) 0.643 65.09 780.99 2325.86 126.21 % 0.02 1.97 24.68 70.52 3.82 Estas zonas de aptitud Muy Alta se distribuyeron en el lecho de escurrimientos superficiales intermitentes del área de estudio, donde las condiciones favorecen la infiltración (suelos gruesos, pendientes medias, vegetación riparia), o bien en áreas de piedemonte localizadas en la margen suroeste de la superficie de captación del acuífero. Este resultado sugiere la importancia de los procesos de recarga difusa y lineal en el acuífero de estudio, tal y como se ha demostrado en acuíferos de otras latitudes (Seiler & Gat, 2007). A su vez, es consistente con lo obtenido por otros autores que han identificado zonas de recarga natural en acuíferos (Pedrero et al., 2011; Rahman et al., 2012), pues identifica una solución espacial óptima para el objetivo evaluado, mediante la ponderación e integración de capas geográficas que facilitan o constriñen la ocurrencia espacial de la recarga hídrica. 4 CONCLUSIONES Los resultados generados en esta evaluación, constituyen una hipótesis cartográfica que permite orientar el trabajo prospectivo en campo. Demuestran la utilidad de modelizar la ocurrencia espacial de áreas de recarga, a partir de EMC con información cartográfica. En este sentido, aportan a la solución de un problema recurrente en el 12-16 de Octubre de 2015, Ciudad Juárez, Chihuahua, México. Memorias de resúmenes en extenso SELPER-XXI-México-UACJ-2015 estado de Chihuahua, donde el uso intensivo de agua subterránea amenaza la sustentabilidad de los acuíferos. La identificación de áreas potenciales de recarga, facilita también la definición de áreas de protección y rehabilitación ambiental, para incrementar la oferta de agua subterránea. Constituye de esta manera, un insumo útil para la planeación y gestión territorial en la zona. 5 REFERENCIAS Alatorre, L. C., Díaz, R. E., Miramontes, S., Bravo, L. C., & Sánchez, E. (2014). Spatial and Temporal Evolution of the Static Water Level of the Cuauhtemoc Aquifer during the Years 1973, 1991 and 2000: A Geographical Approach. Journal of Geographic Information System, 06(05), 572. Bravo Peña, L., Torres Olave, M., Alatorre Cejudo, L., Sáenz López, A., Aguilar Estrada, S., & Sánchez Flores, E. (2015). Cambios de uso del suelo e impactos en la escorrentía de una cuenca en Chihuahua. Modelización desde una perspectiva hidrofuncional. En Investigación Interdisciplinaria: una mirada desde el norte de México. (Primera, Vol. 1, pp. 11–54). Ciudad Juárez Chihuahua: Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. Brooks, K., Ffolliott, P., & Magner, J. (2013). Hidrology and the management of watersheds (Fourth Edition). Arlington Virginia: Blackwell Publishing. COLPOS. (2007). Plan Director Unión de Asociaciones de Usuarios de Aguas Subterráneas del Acuífero De Cuauhtémoc, Chihuahua, S de RL de IP de CV. (p. 69 más anexos.). Chapingo Mex.: Colegio de Postgraduados. CONAGUA. (1991). Actualización del estudio geohidrológico, políticas de operación y proyecto de manejo del acuífero del valle de Cuauhtémoc Chihuahua. Comisión Nacional del Agua. CONAGUA. (2000). Cuantificación de la extracción de agua subterránea en el acuífero de Cuauhtémoc Chihuahua. Comisión Nacional del Agua. Díaz Caravantes, R. E., Bravo Peña, L. C., Alatorre Cejudo, L. C., & Sánchez Flores, E. (2013). Análisis geoespacial de la interacción entre el uso de suelo y de agua en el área peri-urbana de Cuauhtémoc, Chihuahua. Un estudio socioambiental en el norte de México. Investigaciones Geográficas, 0(83). Eastman, J. R. (2012). Idrisi Selva Manual (17a ed.). Boston Ma: Clark University. Gómez, V., & Soriano, R. (2013). Asignación de Grupo de Suelo a partir de clasificaciones edáficas de base morfométrica. (pp. 1–11). Presentado en Sexto Congreso Forestal Español, Madrid: Sociedad Española de Ciencias Forestales. Hsin-Fu, Y., Cheng-Haw, L., Kuo-Chin, H., & PoHsun, C. (2009). Gis for the assesment of the grounwater recharge potential zone. Environmental Geology, 58, 185–195. Matus, O., Faustino, J., & Jiménez, F. (2009). Guía para la identificación participativa de zonas con potencial de recarga hídrica. Centro Agronómico Tropical de Investigación y Enseñanza. Pedrero, F., Albuquerque, A., Marecos do Monte, H., Cavaleiro, V., & Alarcón, J. J. (2011). Application of GIS-based multi-criteria analysis for site selection of aquifer recharge with reclaimed water. Resources, Conservation and Recycling, 56(1), 105–116. Rahman, M. A., Rusteberg, B., Gogu, R. C., Lobo Ferreira, J. P., & Sauter, M. (2012). A new spatial multi-criteria decision support tool for site selection for implementation of managed aquifer recharge. Journal of Environmental Management, 99, 61–75. Rahman, M. A., Rusteberg, B., Uddin, M. S., Lutz, A., Saada, M. A., & Sauter, M. (2013). An integrated study of spatial multicriteria analysis and mathematical modelling for managed aquifer recharge site suitability mapping and site ranking at Northern Gaza coastal aquifer. Journal of Environmental Management, 124, 25–39. Romano, G., Dal Sasso, P., Trisorio Liuzzi, G., & Gentile, F. (2015). Multi-criteria decision analysis for land suitability mapping in a rural area of Southern Italy. Land Use Policy, 48, 131–143. Russo, R. de F. S. M., & Camanho, R. (2015). Criteria in AHP: A Systematic Review of Literature. Procedia Computer Science, 55, 1123–1132. http://doi.org/10.1016/j.procs.2015.07.081 Sáenz, A. (2015, mayo). Localización de zonas con potencial de recarga hídrica mediante infiltración natural en el acuífero Bustillos. (Tesis). Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Ciudad Cuauhtémoc Chihuahua. Seiler, K.-P., & Gat, J. R. (2007). Groundwater Recharge from Run-off, Infiltration and Percolation. Springer Science & Business Media. Senanayake, I. P., Dissanayake, D. M. D. O. K., Mayadunna, B. B., & Weerasekera, W. L. (s/f). An approach to delineate groundwater recharge potential sites in Ambalantota, Sri Lanka using GIS techniques. Geoscience Frontiers. Sumathi, V. R., Natesan, U., & Sarkar, C. (2008). GISbased approach for optimized siting of municipal solid waste landfill. Waste Management, 28(11), 2146– 2160. 12-16 de Octubre de 2015, Ciudad Juárez, Chihuahua, México.