Identificación de áreas potenciales de recarga

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.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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