balance de aguas subterráneas

45
CAPÍTULO IV
BALANCE DE AGUAS SUBTERRÁNEAS
4.1 COMPONENTES DEL BALANCE
Los componentes del balance son entradas, salidas y cambio de almacenamiento. Se basa
en el Principio de conservación de la materia. Entradas-Salidas = Cambio de
almacenamiento (ΔV).
Las entradas son: Recarga de frente de montaña (Rfm), recarga por infiltración de
agricultura (Rag) y recarga por infiltración de ríos y presas de almacenamiento (Rrp). Debido
a la alta evaporación real en el área calculada por el método de Turc (página 23) la
infiltración vertical por precipitación directa es muy pequeña y se estima que ocurre solo en
los años en que la precipitación es superior a la precipitación media y en zonas donde el
nivel freático esta cerca de la superficie.
Las salidas son: Bombeo (B), flujo base de escurrimientos (Qb), evapotranspiración (ET) y
salidas subterránea a través de la frontera (Qs).
La ecuación de Balance queda de la siguiente forma:
ΔV = [Entradas] – [Salidas]
(3)
ΔV = [Rfm + Rag + Rrp] – [B + Qb + ET + Qs]
(4)
A continuación se analizan estos componentes.
46
4.2 RECARGA
La recarga en la cuenca Alta del Río San Pedro se presenta principalmente por infiltración
del “frente de montaña”, también ocurre debido al retorno de aguas de riego y por
infiltración en los ríos, afluentes y represos.
Recarga de Frente de Montaña
Parte de la precipitación pluvial se infiltra en la zona de aluvión grueso que se extiende de
la base de la montaña hasta el valle, esta fluye hacia abajo a través de la zona insaturada por
una banda paralela al frente de montaña.
Anderson y otros (1992) desarrollaron una relación empírica (ec. 5) entre precipitación y
recarga de frente de montaña en base al balance para varios valles de Arizona (Pool y Coes,
1999; p.29).
Log Q = -1.40+0.98(log P)
(5)
Donde
Q = Recarga de frente de montaña anual en pulgadas.
P = volumen de precipitación en exceso de 8 pulgadas.
Esta relación es general y no toma en cuenta varios factores que influencian la recarga,
como geología, pendiente, vegetación y suelos. La relación, sin embargo, puede ser usada
para evaluar la recarga del frente de montaña de los valles de Arizona (Pool y Coes, 1999;
p.29).
La recarga del frente de montaña para la porción de la cuenca que se encuentra en México
fue de 12.281 hm3/año según Goode y Maddock III (2000; p.28). La recarga la calcularon
globalmente para la cuenca alta del río San Pedro, la modificaron comparando con otros
47
valores obtenidos anteriormente y distribuyeron el valor proporcionalmente dependiendo
del área montañosa y la altitud de la misma.
La precipitación promedio de la cuenca según las estaciones climatológicas
estadounidenses es de 418 mm/año (16.47 pulgadas/año). La ecuación pide el valor de P en
exceso de 8 pulgadas por lo que se usará el valor de 8.47 pulgadas. Al resolver la ecuación
y convirtiendo al sistema métrico tenemos 8.2 mm/día de recarga que al multiplicarlo por el
área de la cuenca (7.56x109 m2) y por 365 días tenemos una recarga para toda la cuenca alta
del San Pedro de 62.051 hm3. ADWR (1991) y Corell et al (1996) habían calculado
anteriormente una recarga para la cuenca alta del Río San Pedro de 50.492 hm3/año, Goode
y Maddock III (2000; p.28). La recarga que utilizan Goode y Maddock III (2000) en su
modelo es el promedio de estos 2 valores que es 56.272 hm3.
De la misma forma, utilizando los valores climatológicos de las estaciones de Cananea y
Naco obtenemos un promedio de 452.02 mm/año (17.79 pulgadas/año) durante un periodo
de mas de 30 años de observación. Al resolver la ecuación tenemos una Q de 0.37
pulgadas/año (0.00946 m/año), que aunado al área de la cuenca (1790x106 m2) nos
proporciona una recarga promedio de 16.933 hm3/año para el área de estudio según la
ecuación empírica de Anderson y otros (1992). Un 37.88% mas que la recarga propuesta
por Goode y Maddock III (2000) debido a la alta precipitación en Cananea.
Distribución de la Recarga
Los 16.933 hm3/año de recarga se distribuyeron en 8 frentes con diferente aporte (Fig. 4.1)
dependiendo de que el área de frente de montaña y de la zona de precipitación sea de alta,
media o baja precipitación. Aunque la parte en los parteaguas no tiene área de frente de
montaña se le asignó una recarga mínima del tamaño del área ocupada por una delgada
franja a lo largo de la distancia que recorre esa frontera. Se determinaron zonas de
precipitación alta baja y moderada según criterios de altura e información tomada de las
estaciones climatológicas. Después se determinó el área de frente de montaña. Para
establecer la recarga en proporción (Tabla 4.1).
48
Fig. 4.1 Distribución de la recarga
Tabla 4.1 Distribución de la Recarga de Frente de Montaña
Factor de Precipitación
%
Frente de Montaña Área (km2) Área % Zona de
Precipitación Precipitación (m3/año) Precip.
Huachuca
244.13 29.13 Alta
1.000 5681463.02 33.55
Lomerío Oeste
195.30 23.30 Media
0.750 3408877.81 20.13
Mariquita
55.33
6.60 Alta
1.000 1287798.28
7.60
Parteaguas Sur
21.22
2.53 Media
0.750 370488.45
2.18
Los Ajos
66.18
7.89 Alta
1.000 1540307.75
9.09
Lomerío Este
148.64 17.73 Media
0.750 2594534.77 15.32
San José
96.56 11.52 Media-Alta
0.837 1882816.64 11.11
Naco
10.61
1.26 Baja
0.675 166719.80
0.98
SUMA
838.02
100
16933006.56
100
Recarga por infiltración de agricultura
Parte del volumen de agua que se utiliza en agricultura no es usado por los cultivos ni
evaporada completamente sino que se infiltra y eventualmente alcanza el nivel freático.
Goode y Maddock III (2000; p.28) y Freethey (1982) consideran que es el 30% lo que se
infiltra. Este porcentaje ha de variar localmente debido al tipo de cultivo y el sistema de
riego utilizado. En este trabajo se utiliza también una infiltración promedio de 30%.
49
Tabla 4.2 Bombeo para uso agrícola y recarga por retorno de aguas de riego.
Periodo
1981-1985
1986-1990
1991-1995
1996-2000
Bombeo promedio
Recarga por
Para uso agrícola (hm3/año) agricultura (hm3/año)
3.62
1.086
4.29
1.287
5.18
1.554
8.38
2.514
Según el Plan de Manejo de la Cuenca del Río San Pedro de IMADES (2000; p.42) el área
dedicada a la agricultura aumentó de 1,115 ha en 1973 a 3,260 ha en 1997. Es conveniente
hacer una aclaración; de las 3,260 ha que fueron utilizadas con fines agrícolas, sólo 1,440
ha están bajo producción actualmente y 800 ha lo estuvieron en 1973. El área bajo
producción se hace con riego por gravedad con el aporte de represos, y con riego a partir de
agua subterránea, probablemente del acuífero de la planicie de inundación porque estas
áreas se encuentran cercanas al cauce del Río San Pedro y sus afluentes (IMADES, 2000;
p.42).
Recarga por infiltración en el cauce de ríos
La estimación de la infiltración en el cauce de ríos y arroyos se aproximo de 2 formas,
como un porcentaje del volumen de agua que drena por el cauce y por infiltración en la
superficie de contacto del río.
1) Para la primera aproximación se consideró que el 5% del agua que corre por los arroyos
se infiltra y el 95% restante se mide en la estación hidrométrica en Palominas, AZ donde se
registra todo el escurrimiento que drena por los ríos y arroyos de la cuenca. Se tiene
registrado una descarga promedio anual de 27.640 hm3 en la estación hidrométrica.
Considerando este valor como el 95% no infiltrado, se estima que por los cauces se infiltra
1.454 hm3.
2) El Lecho de un río es un material poroso, generalmente arenas, pero que están, en cierta
forma, taponadas con partículas de limo o de arcilla en suspensión. Por otro lado, la carga
50
hidráulica es variable, desde 1 mm hasta 2 o 3 metros, dependiendo de la magnitud del
cauce. Una estimación promedio para una corriente promedio sería de 100 cm/año.
La superficie de contacto de los ríos puede estimarse con base a la longitud de las corrientes
intermitentes o perennes y el ancho promedio de los ríos. La longitud de los ríos o arroyos
se estimo usando ArcView, midiendo la distancia y multiplicándola por un coeficiente de
sinuosidad de 1.15. El ancho del río se debe ponderar entre un ancho de 10 m para el Río
San Pedro (18.920 km), 5 m para las corrientes en el siguiente orden de magnitud (con una
longitud de 39.917 km para El Barrilito-Riecito, 32.839 km para Los Fresnos y 30.494 km
para El Papalotito), y 1 m para los otros arroyos del siguiente orden, Los Alisos, Las
Minitas, Arroyo Claro y el Sauz (longitud aproximada de 120.789 km). Esto genera una
infiltración potencial de 0.826 hm3.
Tomando en cuenta las 2 estimaciones se sugiere un valor de 1 hm3 como estimación de la
infiltración en el lecho del río.
Es conveniente mencionar que no sólo es el agua de lluvia que escurre a través de los
cauces de los ríos y arroyos que son intermitentes porque dependen de los eventos de lluvia,
sino también aguas residuales domésticas de los principales poblados.
En el caso de Cananea, el abastecimiento de agua proviene principalmente del bombeo del
acuífero tanto en la Cuenca del Río Sonora como en la Cuenca del Río San Pedro. Sin
embargo, se considera que la mitad del volumen de aguas negras municipales de Cananea
se vierten en el arroyo El Barrilito (dentro del acuífero de interés), mientras que el resto va
a las presas de jales de la mina (que drenan hacia el Río Sonora).
Recarga por infiltración de presas de almacenamiento
El proceso de infiltración es un proceso de paso de un volumen de agua a través de un
medio poroso (las unidades quedan como tasa de infiltración al dividir un volumen entre un
tiempo entre una superficie) gobernado por las propiedades del suelo y aspectos hidráulicos
51
tales como la carga de la columna de agua sobre el suelo que ejerce una presión hidrostática
que aumenta la capacidad de infiltración.
En el caso de cuerpos de agua con carga constante, como son las presas de
almacenamiento, a pesar de que la carga hidráulica es mayor (aunque en las obras de
almacenamiento de agua del San Pedro la profundidad promedio es de menos de 0.50 m),
sucede que como el agua no está en movimiento, las partículas de arcilla y limo taponean
más los poros del suelo, provocando una tasa de infiltración reducida. Esto genera una
condición similar a la tasa de infiltración de terrenos agrícolas con 33 cm/año.
La superficie de contacto de los represos se puede obtener de las imágenes de satélite de
1973, 1986, 1992 y 2000. La toma de las imágenes se realizó en la época de sequía, por lo
que la superficie en las imágenes debe ser una condición promedio.
Existen más de 100 pequeñas obras hidráulicas de almacenamiento, pero la mayoría son
pequeños o medianos y están secos la mayor parte del año (IMADES, 2000). La mayoría de
estas obras son pecuarias; es decir, se construyeron con la finalidad de almacenar agua para
el ganado; sin embargo, existen 8 represos grandes en el área de estudio, con un área que
varía de 20 a 50 hectáreas que se hicieron con fines agrícolas y que generalmente tienen
agua todo el año. En total estas 8 obras de almacenamiento ocupan un área de 312 ha. La
extensión fue determinada por las imágenes de satélite, su tamaño varía a lo largo del año
con una profundidad promedio de 30 a 60 cm; es decir, son bastante someras. Las pérdidas
principales son por evaporación, que reduce su extensión hasta cero en la época de estiaje.
Con respecto a la época de construcción, para 1970 existía la mitad de los represos grandes
pues fueron identificadas en imágenes de satélite de 1973 (IMADES, 2000). A partir de
entonces se construyeron las presas restantes.
La estimación de la recarga por infiltración de las presas agrícolas equivale a 1 hm3/año
actualmente (312 ha con 33 cm/año).
52
4.3 BOMBEO
A partir de los reportes de la mina a C.N.A. y los censos de aprovechamientos, se
determinó la extracción para la cuenca alta del Río San Pedro en México (Fig. 4.2).
Extracción Total
35
Extracción Total (hm3)
30
25
20
15
10
5
1999
1997
1995
1993
1991
1989
1987
1985
1983
1981
1979
1977
1975
1973
1971
1969
1967
1965
1963
1961
1959
1957
1955
1953
1951
1949
1947
1945
0
Años
Fig. 4.2 Extracción total de agua subterránea en la Cuenca Alta del Río San Pedro, Méx.
El valor más alto se registró en el año de 1988 con 33.3 hm3 extraídos, también se puede
apreciar que el año de 1986 es el punto de inflexión en la extracción, a partir de esa fecha el
acuífero registró extracciones por arriba de los 15 hm3. La extracción total reportada para el
último año, 1999, es de 22.5 hm3. Los tipos de pozos y equipos se muestran en las Figuras
4.3 a 4.5 y la distribución del número de pozos en el tiempo en las tablas 4.3 y 4.4.
Tabla 4.3 Número de pozos agrícolas, ganaderos y domésticos a través del tiempo.
Fuente; p. Hidrolegro, S.A.,1983 y Censo de Aprovechamientos de Agua Subterránea 1999.
Periodo
Número máximo de pozos en ese periodo
Agrícolas Ganaderos Domésticos
1945-1966 0
16
1
1967-1978 5
38
1
1979-1983 14
40
2
1984-1999 52
67
7
Tabla 4.4 Número de pozos industriales en diferentes periodos.
Fuente: Reportes de la Mina a C.N.A.
Periodo
Número de Pozos de la Mina
1945-Jul.1986 11
Ago.1986-1999 59
53
P ozos por tipo de uso
2
11
2
D om éstico
8
A grícola
53
48
Ganadero
Industrial
P ecuario-D om éstico
Industrial-D om éstico
65
sin uso (pozos fallidos)
Fig. 4.3 Clasificación de Pozos según su uso.
Tipo de Equipo de Bombeo en Pozos
Pump y Jack
Sumergible
3
37
56
Vert-Turb/aceite
Aeromotor
Jet 1 1/2
24
Sin Equipo
2
23
45
No especificado
Fig. 4.4 Clasificación de Pozos según el tipo de equipo de bombeo.
Pozos según su estado
150
100
50
0
No. Pozos
Sin
Equipo
Inactivos
Activos
24
17
148
Fig. 4.5 Clasificación de pozos según su estado de actividad
En la Figura 4.6 se puede apreciar que la extracción de agua subterránea es impactada
sobretodo por los pozos de la mina y por los pozos en su mayoría agropecuarios, donde la
suma de estos dos hace la extracción total.
54
Extracción de agua subterranea
35
Extracción (hm3)
30
25
Extracción Total
20
Pozos de C. Minera
15
Otros Pozos (90%
Agropecuarios)
10
5
1999
1996
1993
1990
1987
1984
1981
1978
1975
1972
1969
1966
1963
1960
1957
1954
1951
1948
1945
0
Años
Fig. 4.6 Extracción de agua subterránea total desglosada
4.4 EVAPOTRANSPIRACIÓN
El área de evapotranspiración está comprendida por la vegetación ribereña del Río San
Pedro (Figura 4.7) y por los cuerpos de agua expuestos a la radiación solar. En las
márgenes del Río San Pedro, así como en algunos de sus principales afluentes es posible
encontrar Bosque Ribereño de álamo-sauce de la comunidad Bosque Deciduo Ribereño de
Sonora (IMADES, 2000; p.43; Minckley y Brown, 1982). En esta vegetación se encuentra
Salix gooddingii y Populus fremontii como las especies dominantes, acompañados de otras
especies en menor cantidad como son el mezquite (Prosopis velutina, Prosopis g.
torreyana y Prosopis pubescens, Chilopsis linearis) (IMADES, 2000; p.43).
La vegetación ribereña que existe en varios segmentos del Río San Pedro esta identificada a
través de las imágenes de satélite de los años 1973, 1986, 1992 y 1997. Las especies
definidas en esta zona son:
Bosque de galería (álamo y sauce) con una evapotranspiración de 2.074x10-3 m/día (Goode
y Maddock III, 2000; p.31; Scott et al, 1999) y zacatón, según Scott (1999; p.14) los
valores de pastizal de ciénega densa son 22.7% menores a los de álamo–sauce por lo que
utilizaremos un valor de 1.603x10-3 m/día para este. El bosque de galería es vegetación
caducifolia, lo que quiere decir que hiberna una parte del año y deja de evapotranspirar por
espacio aproximado de un tercio de año.
55
El área aproximada del bosque de galería es de 8’393,041.37 m2, el área del zacatón es de
11’989,566.4 m2 (Figura 4.7). Con estos datos podemos estimar una evapotranspiración
anual máxima de 11.2583 hm3. La cual ocurre cuando hay agua en abundancia, por ejemplo
en la temporada de lluvias, o cuando se aprecia en el río un flujo base. Para un valor
promedio anual asumimos un valor igual al 80% del valor de evapotranspiración máxima.
Fig. 4.7 Evapotranspiración
Basado en los archivos de ArcView de la base de datos creada por IMADES y otros. S/F.
56
4.5 FLUJO BASE
Es el flujo del río que depende exclusivamente del aporte de agua subterránea, por lo que
está íntimamente relacionado con el nivel freático. La cuenca en México es drenada por un
sistema de corrientes conectadas entre sí de tal forma que todo el flujo que se presenta tiene
un punto en común de salida, la estación de aforo Palominas, aproximadamente a 15 km de
la línea fronteriza entre México y E.U.
La Figura 4.8 muestra el volumen del escurrimiento superficial de la parte mexicana de la
cuenca, medida en Palominas, AZ. Esta es una gráfica logarítmica en la que no hay ceros.
Pero en realidad el cero es 0.0001 m3/s, que es una cantidad prácticamente inmedible en el
lecho del río. En la gráfica los valores del límite inferior representan ausencia de agua en el
río. Podemos distinguir claramente 3 periodos. Al inicio de la gráfica hay un periodo donde
siempre hay agua (1930-1940), en medio de la gráfica está el periodo donde el río se seca
estacionalmente para algunos años (1950-1966) y finalmente un tercer periodo en donde el
río permanece sin agua la mayor parte del tiempo (1967-2000).
Años
Fig. 4.8 Escurrimiento del Río San Pedro en la Estación Palominas, AZ.
Modificado de documento de trabajo de IMADES, S/F, no publicado.
2000
1993
1986
1979
1972
1965
1958
1951
1944
10000
100
1
0.01
0.0001
1937
|- Periodo 1 -¿|?---- Periodo 2 ---|-- Periodo 3 -------------------|
1930
Descarga en m3/s
Escurrimiento en Palominas, AZ
57
La Tabla 4.5 presenta los valores de flujo base en Palominas, AZ (Goode y Maddock III,
2000; p. 87). Estos valores fueron estimados a través de calibración de modelos de
simulación.
Tabla 4.5 Flujo base en Palominas, AZ.
Años
1940
1950
1960
1970
1980
1990
1997
Qb (m3/s) 0.1132 0.1030 0.0942 0.0824 0.0665 0.0591 0.0569
4.6 FLUJO SUBTERRÁNEO A TRAVÉS DE LA FRONTERA:
El flujo subterráneo a través de la frontera se estima en 3.7 hm3/año (3000 acft/yr) (Goode
y Maddock III, 2000; p.26; ADWR, 1991). Esta estimación se hizo a través de la
calibración de modelos de simulación.
4.7 CAMBIO DE ALMACENAMIENTO (ΔV):
El cambio de almacenamiento se calcula a partir de la evolución piezométrica, y del
coeficiente de almacenamiento en el área de balance.
Para el balance de este capítulo se tomó el cambio de almacenamiento como incógnita de la
ecuación general de balance (4). Ya que el cálculo con los datos disponibles es deficiente.
No se cuenta con suficiente información piezométrica para abarcar la zona de los pozos
industriales y de los pozos agrícolas en un mismo periodo. Se hizo una aproximación con
los datos de diciembre de 1989 y de diciembre de 1990 para calcular el cambio de
almacenamiento de un año. Esos años fueron escogidos por la relativa disponibilidad de
datos, en la que el número de mediciones disponibles de un mismo valor nos permiten
asegurarnos que son valores confiables. Se tienen mediciones de 35 pozos concentrados en
la parte de la zona de los pozos de la mina. Se carece de pozos de observación suficientes
en la zona del Río, donde se encuentran los pozos más antiguos de la mina, y en la zona de
pozos agrícolas al norte del área. El resultado del cálculo es una disminución en el
58
almacenamiento en un volumen sólido de 290 hm3 para ese año. Este cálculo se efectuó
con el software de interpolación “SURFER v.5” al cual se le proporcionaron los datos
suficientes para calcular el volumen entre las dos piezometrías. El volumen de agua en el
acuífero se determina por la siguiente ecuación:
V a = εV s
(6)
donde
Va = Volumen del agua
ε = Porosidad o Coeficiente de Almacenamiento
Vs = Volumen del sólido
Con un coeficiente de almacenamiento de 0.08 obtenemos una reducción de un volumen
de almacenamiento de 23.2 hm3.
4.8 BALANCE
El balance promedio para las últimas dos décadas, durante las que se explotó el acuífero de
forma más intensa presentan entradas del orden de 20 hm3 por concepto de recarga y un
volumen de 32-35 hm3 de agua por concepto de salidas. Esto da lugar a un abatimiento
anual constante de alrededor de 13.03 hm3/año promedio para la década de los 80 y de
alrededor de 14.11 hm3/año para la década de los 90.
Tabla 4.6 Balance promedio para el periodo 1980-2000
ENTRADAS(hm3)
Periodo
Rfm
Rag
Rrp Total
SALIDAS (hm3)
B
Qb
ET
Qs
Total ΔV (hm3)
1980-1990 16.933 1.186 1.75 19.86 18.211 1.983 9.00 3.702 32.89 -13.03
1991-2000 16.933 2.034 1.91 20.87 20.447 1.831 9.00 3.702 34.98 -14.11