Tecnologías para la Reutilización y Uso Eficiente de Agua – Recarga de

Acuíferos y la Experiencia Mexicana

Proyecto Vinculación Ciencia Empresa VCE1207“Sustentabilidad del Recurso Hídrico en la Región de Atacama”

Alcances y proyecciones para la Cuenca del Río Huasco

Vallenar, 19 Noviembre 2014

Carlos Gutiérrez Ojeda cgutierr@tlaloc.imta.mx

Tecnologías para la Reutilización y Uso Eficiente de Agua – Recarga de

Acuíferos y la Experiencia Mexicana

Vinculación Ciencia Empresa“Sustentabilidad del Recurso Hídrico en el Sector Productivo

de la Región de Atacama”

Copiapó, 20 Noviembre 2014

Carlos Gutiérrez Ojeda cgutierr@tlaloc.imta.mx

CONTENIDO• Antecedentes• Definición• Objetivos• Fuentes de agua• Caracterización de los sitios • Implicaciones de la calidad del

agua • Beneficios• Problemas• Clasificación

– Métodos de distribución– Infiltración inducida– Pozos– Modificación de los cauces de

los arrollos– Captación de agua de lluvia

• Experiencia Mexicana: Comarca Lagunera

La principal motivación para el estudio del AS es su importancia como recurso:

Estimación del balance de agua del mundo (Nace, 1971)

Parámetro Área (km2)x106

Volumen (km3)x106

Volumen (%)

Tiempo de residencia

Océanos Lagos y presas Pantanos Ríos Humedad del suelo A.S. Hielo y glaciares Agua atmosférica Agua de la biosfera

Suma

361 1.55 < 0.1 < 0.1 130 130 17.8 504

< 0.1

1,370 0.13

< 0.01 < 0.01 0.07 60 30

0.01 < 0.01

1,460

94 < 0.01 < 0.01 < 0.01 < 0.01

4 2

< 0.01 < 0.01

4,000 años 10 años 1-10 años 2 semanas 2 semanas-1 año 2 semanas-10,000 años 10-1,000 años 10 días 1 semana

Si no tomamos en cuenta a los océanos (por sus altos niveles de salinidad) el AS representa aproximadamente 2/3 del agua fresca del mundo. Si tomamos en cuenta sólo el agua utilizable, (es decir, despreciamos / quitamos las capas de hielo y los glaciares y las aguas de la atmósfera y de la biosfera) el AS representa el 95%, los lagos, pantanos, presas y ríos el 3.5% y la humedad del suelo el 1.5%.

Balance Mundial y en México del Agua

Generalidades

• El uso no sustentable del agua subterránea ha ocasionado graves problemas como el abatimiento de los niveles freáticos o piezométricos, la intrusión del agua de mar y la subsidencia del terreno entre otros.

• El cambio climático por su parte solo agravarán estos problemas al elevar el nivel medio del mar.

• La recarga controlada de acuíferos representa una medida de mitigación a estos problemas, así como una seria alternativa a la construcción de grandes presas.

Actividades humanas que favorecen la recarga de los acuíferos

1. No intencional – como la infiltración profunda del agua de riego o las fugas de las tuberías de abastecimiento de agua potable y del drenaje.

2. No controlada – incluye a los pozos utilizados para el drenaje del agua de las tormentas, las filtraciones de los tanques sépticos, generalmente utilizados para la disposición de agua no requerida y generalmente sin tratamiento previo.

3. Controlada – a través de estructuras diseñadas exprofeso para recargar acuíferos como pozos de inyección, embalses de infiltración y galerías para introducir agua a los acuíferos proveniente de la lluvia, tormentas, agua residual tratada, ríos, o agua de otros acuíferos, agua que posteriormente es recuperada para todo tipo de usos.

Definición

Gestión de la Recarga de Acuíferos (GRA)

La recarga artificial de un acuífero, también llamada Gestión de la Recarga de Acuíferos (GRA) o Managed Aquifer Recharge (MAR) es un método de gestión hídrica que permite introducir agua en los acuíferos (en general, agua de buena calidad y pretratada, aunque ha habido varias experiencias de recarga con aguas residuales).

Una vez almacenada el agua en los acuíferos puede ser posteriormente extraída para distintos usos (abastecimiento, riego, frenar la intrusión marina, contaminación, etc.).

• MAR implica el almacenamiento y el tratamiento intencional de agua dentro de los acuíferos.

• El término “recarga artificial” también ha sido utilizado para describir estas técnicas, sin embargo el término “artificial” tiene una connotación adversa en la sociedad.

• La Gestión de la Recarga de Acuíferos (GRA) y la captación de agua de lluvia han sido practicadas por siglos en regiones áridas y semiáridas del mundo, utilizando una amplia variedad de técnicas.

Strategies for Managed Aquifer Recharge (MAR) in semi-arid areas

Objetivos• Almacenar agua en los acuíferos para su uso futuro, especialmente en zonas

de escasa disponibilidad de terreno en superficie o sin posibilidad de otras formas de almacenamiento.

• Suavizar las fluctuaciones en la oferta/demanda de agua• Desarrollar estrategia de manejo integral del agua en una cuenca• Estabilizar o aumentar los niveles del agua subterránea en acuíferos

sobreexplotados. • Almacenar agua en el subsuelo cuando no hay espacio superficial disponible

para la construcción de presas• Reducir las pérdidas por evaporación y escurrimiento• Reducir el escurrimiento superficial y la erosión del suelo• Mejorar la calidad del agua y suavizar sus fluctuaciones• Mantener caudales ecológicos en ríos o arroyos• Manejar la intrusión salina y la subsidencia del terreno• Disponer/reusar el agua de desecho o de las tormentas

Fuentes de agua

• Arroyos y ríos perennes• Arroyos intermitentes, wadis o avenidas • Presas• Agua de tormenta urbana• Agua potable tratada• Agua de lluvia recolectada en los techos• Agua residual tratada

Implementación de un proyecto de recarga

• Desarrollar un modelo hidrogeológico conceptual (comprensible)

• Análisis de la meteorología• Estimar el espacio disponible en el acuífero para el

almacenamiento del agua adicional• Cuantificar las componentes del balance hídrico• Evaluar la calidad del agua subterránea y de la recarga • Usar modelos numéricos para la evaluación del

proyecto• Evaluar los impactos aguas abajo de la obra de recarga

Información hidrogeológica requerida

– Tipo de acuífero– Capacidad de infiltración (m/día)– Conductividad hidráulica del suelo (m/día)– Porosidad y porosidad efectiva del suelo– Profundidad al nivel freático o superficie piezométrica– La calidad del agua (subterránea y de recarga)– Disponibilidad de terreno– Espesor saturado del acuífero– El volumen de agua disponible para la recarga

(tiempo)

Infiltrómetro de dobe anillo

Implicaciones en la calidad del agua

• Remoción de sólidos en suspensión, agentes patógenos, metales pesados, compuestos orgánicos, nitratos, etc., del agua por recargar.

• Dilución de agua subterránea con mala calidad. • La posible contaminación de agua subterránea de buena

calidad.• Incremento de solutos por la mezcla de aguas y disolución de los

materiales del acuífero.• Las reacciones geoquímicas adversas (As, F, Fe, Mn).• La posible presencia de contaminantes no previstos en las

normas como residuos de medicinas y hormonas, llamados contaminantes emergentes.

Aspectos institucionales y de gestión a considerar

• En todo proyecto de recarga existen aspectos administrativos e institucionales que deben ser considerados como son los derechos de agua, la legislación hídrica, la tenencia de la tierra, los aspectos regulatorios y legales, etc. Se debe definir también quién debe pagar los proyectos de recarga y quiénes son los beneficiarios, quien lo va a operar y quien lo va a administrar, los niveles de gobierno involucrados (federal, estatal o local), etc.

• En términos ambientales y sociales es necesario también evaluar el efecto del proyecto de recarga en la calidad de vida de la comunidad y el entorno.

Beneficios• Incremento en la disponibilidad de agua• Estabilización/aumento de los niveles piezométricos• Aumento del flujo de base (gasto ecológico) en ríos• Control de la intrusión salina• Reducción de la subsidencia del terreno • Fuente sostenible de agua subterránea• Sostenibilidad de áreas irrigadas• Estabilización de la erosión del suelo• Análisis positivo de la relación costo-beneficio• Mejoramiento del nivel de vida• Mitigación de inundaciones• Control de la contaminación• Ahorro de espacio superficial para el almacenamiento del agua

ProblemasNo todo son ventajas en los proyectos de recarga, también se tienen dificultades como: • la necesidad de limpieza de las áreas de infiltración • el manejo de obstrucciones en la superficie• Información básica inadecuada/conceptos erróneos de la geología y la hidrología:

– diseño pobre y limitado del sistema– mal diseño de las estructuras de infiltración, de los pozos e inestabilidad de las

estructuras; – pozos en malas condiciones de funcionamiento, – mala operatividad y rendimientos por debajo de los niveles esperados.

• agua resultante en el acuífero de baja calidad. • pérdidas de agua por infiltración debido a fallas geológicas no conocidas o mal

identificadas. • aceptabilidad política y social• no contar con personal capacitado

Siempre es necesario empezar por un proyecto piloto y después proceder a su implementación a una escala mayor.

Clasificación de las MARTecnología Subtipo

TÉCNICAS PARA INFILTRAR AGUA

Distribución

Inundación controlada

Zanjas, surcos y drenajes de riego

RiegoEstanques y Balsas de Infiltración

Infiltración inducida

PozosPozo de recarga profunda

ASTRASR

Pozos de recarga someros

TÉCNICAS PARA INTERCEPTAR AGUA

Modificación de los cauces de arroyos y ríos

Presas para la recarga de acuíferos

Presas sub-superficiales

Presas de almacenamiento de arena

Técnicas de ampliación de los cauces

Captación de agua de lluviaBarreras que sobresalen de la superficie de la tierra

Zanjas de infiltración, surcos y tinas ciegas

Gale I. 2005. Strategies for Managed Aquifer Recharge (MAR) in semi-arid areas. IAH - MAR, UNESCO IHP. Paris, France

Técnicas para infiltrar agua (Distribución)

• Se encuentran entre los más simples, antiguos y más ampliamente utilizados métodos de recarga controlados.

• Se aplica cuando el acuífero a recargar se encuentra cerca de la superficie del suelo.

• La recarga se realiza por la infiltración del agua a través del material permeable de la superficie, el cual debe ser verificado para mantener las tazas de infiltración.

• La mayoría de éstos sistemas de recarga de agua utilizan un sistema de zanjas o tuberías para conducir el agua.

1. Estanques y balsas de infiltración2. Inundación controlada3. Zanjas, surcos y drenajes de riego4. Riego

• Los estanques de infiltración se ubican en depresiones naturales del terreno o en excavaciones realizada en el suelo hacia donde se dirige el agua de recarga para que se infiltre a través del suelo

Estanques y balsas de infiltración

Estanque de Infiltración, Atlantis, Sud-África

Figura esquemática de un estanque de infiltración

Source: Todd

Estanque de Infiltración, Namibia

Los Angeles, California

Tonopah Desert Recharge Project

Infiltración de 1 m/día en 1 ha al año representa 3.65 Mm3/año o 115 lps.

Características generales de las técnicas de infiltración

• La velocidad de infiltración depende de la naturaleza del suelo:

– 30 m/año suelos de textura fina como limo-arenosos – 500 m/año arenas gruesas limpias

• La evaporación (0.4-2.4 m/año) es una componente menor del balance de agua.

• Cuando la fuente de agua contiene altas cargas de sólidos suspendidos, el manejo/mantenimiento de las estructuras de recarga es muy importante con el fin de minimizar la colmatación, mantener las velocidades de infiltración y minimizar la evaporación del agua.

Características generales de las técnicas de infiltración

• A pequeña escala son adecuadas para abastecer de agua a comunidades de tamaño medio y para la agricultura de áreas rurales.

• Principal ventaja: posibilidad de infiltrar grandes cantidades de agua a un costo relativamente bajo.

• Los embalses de infiltración son probablemente el método de recarga mas favorecido, ya que permiten un uso eficiente del espacio, que puede ser integrado con el paisajismo de un área o espacio abierto, y sólo requieren un mantenimiento simple.

• Una desventaja de los sistemas de distribución es la exigencia de una gran superficie con un acuífero libre para la infiltración del agua, lo cual no siempre está disponible.

Experiencia del año 2001 en la Comarca LaguneraExperiencia del año 2001 en la Comarca Lagunera

INTRODUCCIÓN

Agua subterránea con elevadas concentraciones de arsénico se han reportado en la

Comarca Lagunera desde 1962

El agua proviene de un acuífero libre aluvial, el cual constituye la principal fuente de agua

potable en la región

El arsénico ha originado problemas de salud a gente y animales

Estudio hidrogeoquímico y isotópico (IMTA, 1990): Grandes áreas tienen As > 0.05 mg/l rango de 0.003 a 0.443 mg/l

Como una alternativa para el control de dicho avance se implementaron en los años de 1991 y

2000 en forma conjunta con la Comisión Nacional del Agua, dos programas de recarga

artificial mediante embalses de infiltración construidos sobre el lecho del río Nazas.

EDO. DE CHIHUAHUA

EDO. DE COAHUILA

GUANACEVI

EL PALMITO

NAZAS

RODEO

CUENCAME

EDO. DE DURANGO

EDO. DE ZACATECAS

PARRAS

DELICIAS

SAN PEDRO

VIESCA

TORREON

MAPIMI

GOMEZ

TLAHUALILO

• Situada en una gran cuenca cerrada en la parte central del norte de México

• Cubre 12,000 km2 de los estados de Coah., Dgo y Zac.

• 90,000 ha se riegan cada año con agua superficial y subterránea

• Principales ciudades: Torreón, Gomez Palacio y Lerdo (2 millones de habitantes)

• Clima típico de las regiones áridas del norte del país:

Muy seco

Temperatura 25°C/año

Precipitación: 220 mm/año

Evaporación: 2,400 mm/año

Localización de la Región Lagunera

Región Hidrológica # 36 "Nazas-Aguanaval"

Agua superficial - Ríos Nazas y Aguanaval - Nazas

Cubre 63% de toda la cuenca Principal fuente de agua superficial

Regulado por:

o Palmito o Fco Zarco (1968)

235 Mm3

o L. Cárdenas (1946) 2,777 Mm3 o Alrededor de 600 – 830 Mm3 se

Usan cada año para riego Distribuidas por Rio Nazas - Canal Sacramento

Elevación del nivel freático en condiciones naturales, en msnm

Agua Subterránea (acuífero):

• tipo libre

• Compuesto de depósitos aluviales y lacustres de orígen sedimentario

• Se extiende en el 50% de toda el área

• Contribuye con el 50% de toda el agua utilizada para fines domésticos, agrícolas e industriales

• Fuente de recarga: río Nazas y retornos de riego

• Dirección natural del flujo: SW -> NE

(estimado)

Elevación del nivel freático en 1991, en msnm.

Agua subterránea (acuífero):

• La sobreexplotación del acuífero ha causado:

•Abatimientos de mas de 100 m en menos de 50 años

•Migración de agua con elevadas concentraciones de As.

• 1986: extracción tres veces más grande que la recarga

•Extracción 1000 Mm3/año por mas de 4,800 pozos

•Recarga 300 Mm3/año

• Dirección general del flujo: de los bordes a la parte central de la región.

Ubicación de pozos muestreados en 1990.

Parámetro Min. Media Max. DS Límite

T (C) 22 42

pH 6.91 7.54 8.50 0.37

Conductividad (μS/sec) 299 1,663 15,650 2,004

STD (mg/l) 205 1,274 14,210 1,836 500

Dureza (mg/l) 14.46 485.63 2,281.55 545.92 120

Alcalinidad CaCO3 (mg/l) 38.00 129.20 316.00 46.48 600

Cl (mg/l) 4.30 72.00 709.74 106.15 250

SO4 (mg/l) 29.37 674.55 7,384.81 1,043.87 250

HCO3(mg/l) 46.40 157.02 385.60 55.48 50-350

NO3 (mg/l) 0.50 50.82 508.93 80.34 10

Na (mg/l) 19.90 219.61 3,972.00 455.01 100

K (mg/l) 1.15 5.77 16.54 3.56 100

Ca (mg/l) 3.73 142.85 633.26 157.01 100

Mg (mg/l) 0.28 31.25 196.87 42.93 30-40

F (mg/l) 0.07 2.48 6.97 1.41 1.5

B (mg/l) 0.11 0.67 6.01 0.81 5

Li (mg/l) 0.02 0.10 0.34 0.07 0.05

Fe (mg/l) 0.04 0.15 3.72 0.47 0.30

Pb (mg/l) < 0.20 0.20 0.20 0.00 0.05

Mo (mg/l) < 0.20 0.20 0.20 0.00 0.05

Hg (mg/l) 0.00 0.01 0.15 0.03 0.002

As (mg/l) 0.00243 0.07497 0.44300 0.10044 0.05

Nota: Concentraciones por arriba del límite establecido

Resúmen de los análisis físico-químicos

Niveles de arsénico en 1990, en mg/l

• Concentraciones reportadas:

0.003 a 0.443 mg/l

• Criterio de calidad

As < 0.05 mg/l (1991)

As < 0.025 mg/l (2006)Como detener el avance del frente del arsénico?

Objetivo

Recargar artificialmente el acuífero principal de la Comarca Lagunera

con agua de la Presa Francisco Zarco mediante embalses con el

propósito de recuperar los niveles del agua subterránea,

preservando además la calidad del recurso subterráneo.

Actividades

1. Selección del sitio

Cauce del río Nazas: Vecindad del poblado Bella Unión

2. Caracterización

SitioPruebas de infiltración (3)Piezometría: antes, durante y después del experimento

Agua Análisis físico – químicos del agua por infiltrar y subterránea

3. Sitio del experimento

Rehabilitación del desfogue 11+420 del canal SacramentoLevantamiento topográficoConstrucción de bordos de sección homogénea Determinación de las curvas de elevación – área - vol. almacenado

Croquis de localización

Infiltrometros de doble anillo

Infiltration test

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

time (min)

Infi

ltra

ted

laye

r (c

m)

Prueba de infiltración No. 1

Experimento

Primera etapa

Inicio: 14:00 hrs del 22 julio 1991

Gasto de 1.2 a 2.0 m3/sFin:

20:00 hrs del 24 de julio de 1991Falla de la estructura vertedora

Segunda etapa

Inicio: 10:00 hrs del 29 julio 1991 Gasto de 1 a 4 m3/s

Fin: 15:10 hrs del 11 de agosto de 1991Descargas de la presa el Palmito

Recuperación de Niveles Estáticos (m)

No. Periodopozo 22/jul – 29/jul 22/jul – 05/ago 22/jul – 12/ago

52513433443473483493513523533573583598551631163219422016203523563518

1.660.860.71

0.060.770.900.89

1.709.64

0.282.851.100.93

2.44

0.481.421.261.20

Resultados

Tiempo: 18 días

Volumen extraído del canal Sacramento: 3.4 Mm3

Ascenso de los niveles piezométricos de los pozos ubicados en

la vecindad de los poblados Bella Unión y La Conchita Roja.

Conclusiones y recomendaciones

La recarga artificial vía embalses de infiltración es viable técnicamente

para el sistema acuífero de la Comarca Lagunera

Los sitios seleccionados son adecuados, ya que tienen características

hidrogeológicas apropiadas, áreas libres y cuentan con la infraestructura

necesaria para el manejo y conducción del agua a los embalses de

infiltración.

GRACIAS ……..