Sistema para la recarga del manto freático en una comunidad del

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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: [email protected]
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).
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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.
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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
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Figura 3. Perfil estratigráfico en la margen izquierda del río
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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.
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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
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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
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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).
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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
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Literatura citada
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