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DRASTIC-Sg: una nueva herramienta para mejorar la gestión del acuífero de la Ciudad de México

M E X I C O

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DDEE MMÉÉXXIICCOO

ESPECIALIDAD: Ingeniería Geológica

Dr. José Antonio Hernández-Espriú (Hidrogeología)

México, D.F., a 15 de agosto de 2013


Especialidad: Ingeniería Geológica

A Amaya, mi hija adorada.

Mi nueva razón para existir.



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



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 caso-estudio 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.



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.



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 espacio-

temporal 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).


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+.


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



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



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



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 y depósitos volcaniclásticos sin diferenciar.


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.


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.



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,



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 + 4Rr + 3Ar + 2Sr + Tr + 5Ir + 3Cr + 4Sgr (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.



Figura 4. Diagrama de flujo mostrando la metodología seguida en este trabajo.



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



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.



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:

𝑆𝑔𝑟 = �10; 𝑆𝑔 > 0.05 [𝑎−1]

2.3 ln�𝑆𝑔� + 16.88; 0.001 [𝑎−1] < 𝑆𝑔 < 0.051; 𝑆𝑔 < 0.001 [𝑎−1]

� [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.



Con estas consideraciones, el índice DRASTIC-Sg se calculó arreglando la ecuación

(1) de la siguiente manera:

DRASTIC − Sg Index = 5Dr + 4Rr + 3Ar + 2Sr + Tr + 5Ir + 3Cr + 4Sgr (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.


Tabla 1. Síntesis de la metodología empleada para la caracterización de las variables DRASTIC.

Variable Metodología Datos/fuente

D 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.

Piezometría tomada de SACM (2006)

R 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.

Metodología desarrollada por Carrera-Hernández y Gaskin (2008)

A 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.

Datos en SACM (2006)

S 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.

Carta E14-2 (INEGI, 1983)

T 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.

SRTM

I 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.

Datos en SACM (2006)

C 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).

Datos originales en SACM (2006) y Vázquez-Sánchez (1995)

http://www.ingenieria.unam.mx/hydrogeology�


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 (Cabral-

Cano 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 (2003-

2007) 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



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.


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).



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).


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.


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.



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.


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.



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.



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

Modelo Clase de vulnerabilidad

acuífera

Tasa de subsidencia (mm/a)

Gradiente de subsidencia, Sg

(m/m/a)

Área superficial

(%) Min Max Media Min Max Media DF RS

DR

AS

TIC

Muy baja -0.0057 -278.74 -26.45 0 0.0491 0.0009 23 13 Baja -0.0035 -343.60 -46.86 0 0.0548 0.0021 41 51.5 Moderada -0.0006 -212.06 -10.90 0 0.0327 0.0007 31 28.4 Alta -0.0117 -112.65 -8.40 0 0.0158 0.0007 6 7 Muy alta -0.0999 -8.09 -2.70 0 0.0019 0.0004 0.1 0

DR

AS

TIC

-Sg

Muy baja -0.0057 -272.75 -6.70 0 0.0059 0.0003 20 2.5 Baja -0.0035 -339.27 -40.29 0 0.0164 0.0010 35 33.4 Moderada -0.0006 -343.60 -29.96 0 0.0548 0.0017 37 49.6 Alta -0.0117 -211.27 -21.32 0 0.0548 0.0022 8 13.6 Muy alta -0.0999 -142.00 -37.73 0 0.0169 0.0073 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.



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,



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 limitaciones son:

desconocimiento del diseño constructivo en varias 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



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 caso-

estudio 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



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.



2.6. Referencias Abidin, H.Z., H.Andreas, T. Kato, T. Ito, I. Meilano, F. Kimata, D.H. Natawidjaya and H. Harjono (2009) “Crustal Deformation Studies in Java (Indonesia) Using GPS. Journal of Earthquake and Tsunami, World Scientific Publishing Company, Vol. 3, No. 2 (2009) 77–88. Academia Nacional de las Ciencias AC (1995) El agua y la ciudad de México. Academy Press, Washington, DC, 353 pp Ahmed, A.A. (2009) Using Generic and Pesticide DRASTIC GIS-based models for vulnerability assessment of the Quaternary aquifer at Sohag, Egypt. Hydrogeology Journal, 17(5), 1203-1217. Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D., and Smith, M. (1998). “Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop requirements.” Irrigation and Drainage Paper No. 56, FAO, Rome, Italy. Aller, L., Bennett, T., Lehr, J. H., Petty, R.J., and Hackett G. (1987) DRASTIC: A standardized system for evaluating ground water pollution potential using hydrogeologic settings: NWWA/EPA Series, EPA-600/2-87-035. Assaf, H. and M. Saadeh (2008). Geostatistical assessment of groundwater nitrate contamination with reflection on DRASTIC vulnerability assessment: The case of the upper Litani Basin, Lebanon. Water Resour. Manage., 23: 775-796. Biot, A (1941) General Theory of Three Dimensional Consolidation, Journal of Applied Physics, vol. 12, 1941, pp. 155-165. Boulton N.S., Streltsova T.D. (1978) Unsteady flow to a pumped well in a fissured aquifer with a free surface level maintained constant, Water Resources Research. Vol. 14, N 3. P. 527–532. Burrough, P. A. and McDonell, R.A. (1998). Principles of Geographical Information Systems (Oxford University Press, New York), p. 190. Butscher C, Huggenberger P. (2009) Modeling the temporal variability of karst groundwater vulnerability, with implications for climate change. Environ Sci Technol 2009;43: 1665–9. Cabral-Cano, E., Dixon, T. H., Miralles-Wilhelm, F., Díaz-Molina, O., Sánchez-Zamora, O., & Carande, R. E. (2008). Space geodetic imaging of rapid ground subsidence in Mexico City. Geological Society of America Bulletin, 120(11–12), 1556–1566.



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http://www.censo2010.org.mx/�



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.



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, 38 Edición, Universidad Politécnica de Cataluña, Facultad de Ingeniería del Terreno. 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.



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).

http://www.ingenieria.unam.mx/hydrogeology�

2 trabajo ai hedzespriu 2013

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