Introducción

A partir el año de 1975, con la introducción del concepto de vulnerabilidad a la contaminación del agua subterránea de Albinet y Margat, se han propuesto diferentes modelos para calcular la vulnerabilidad, entre ellas están el DRASTIC, SIN- TACS, GOD (^{Ríos-Roja y Vélez-Otálvaro 2008}). Este último es el más simple y sirve para una primera aproximación a las condiciones de vulnerabilidad de un acuífero; en tanto que, los índices EPIK, PI, COPK, KARTIC, RISKE, Enfoque esloveno, PaPRIKa, KAVI, LEPT, APLIE son desarrollados para el análisis de zonas kársticas (^{Aguilar-Duarte et al. 2016}). Pero estos modelos tienen un enfoque hidro-geológico (^{Bolio-Barrientos et al. 2011}). El modelo propuesto por ^{Aguilar-Duarte et al. (2016)}, denominado Índice de la Vulnerabilidad del Acuífero Kárstico Yucateco (IVAKY), se construye específicamente para la Península de Yucatán (PY), en él se consideran las características y combinación de múltiples factores como el relieve, el clima y el suelo.

Para este estudio, se toma la definición de vulnerabilidad propuesta por ^{Zwahlen (2003)}, quien dé- nota las características de la hidrogeología, suelo, relieve, clima y vegetación, inherentes al sistema en conjunto que determinan la susceptibilidad a la contaminación por actividades antrópicas. Pero el desarrollo urbano en las zonas costeras es un as- pecto significativo, debido al crecimiento poblacional, la expansión asociada a asentamientos irregulares y la sustitución de ambientes naturales que conlleva a un importante cambio de uso de suelo (^{Barragán y de Andrés 2016}). Por lo que es necesario considerar el uso de suelo como factor principal que influye en el grado de vulnerabilidad a la contaminación del acuífero, ya que la infraestructura urbana funciona como impermeabilizador, lo que disminuye la infiltración e incrementa el flujo de los contaminantes (^{Pousa et al. 2007}); además, tiene influencia directa en la recarga e infiltración (^{Momejian et al. 2019}).

Aunado a las problemáticas mencionadas se debe considerar el cambio climático como factor ante la vulnerabilidad a la contaminación de las aguas subterráneas (^{Nicholls y Cazenave 2010}, ^{Contreras-Tax et al. 2021}), por lo que se necesita incorporar factores como el ascenso del nivel del mar y la distancia con respecto a la línea de costa, ya que la contaminación también se puede presentar en un plano horizontal (^{Blanco-de-la-Paz et al. 2018}). Hay estudios que demuestran la contaminación de sistemas acuáticos (principalmente cenotes) en las zonas costeras de la Península de Yucatán y el Caribe Mexicano (Medina- Moreno et al. 2014, ^{Hoogesteijn-Reul et al. 2015}). Por lo anterior, el objetivo del presente trabajo fue proponer factores para la construcción de un índice de vulnerabilidad a la contaminación de acuíferos kársticos-costeros en zonas urbanizadas y se tiene como referencia a la Ciudad de Playa del Carmen, Quintana Roo.

Materiales y métodos

Área de estudio

Comprende la ciudad de Playa del Carmen, ubicada en el municipio de Solidaridad, el cual se encuentra en la parte norte del estado de Quintana Roo, colinda al norte con los municipios de Lázaro Cárdenas y Benito Juárez, al sur con el municipio de Tulum y al este con el mar Caribe. Se localiza entre las coordenadas geográficas extremas 19°46’ a 20°45’ LN y 86° 57’ a 88° 05’ LO (Figura 1). La ciudad de Playa del Carmen presenta un clima de tipo Aw, cálido subhúmedo con lluvias de verano y, de acuerdo con la Comisión Nacional del Agua (CNA), la temperatura promedio anual es de 25.4 °C, media mensual de 22.8 °C en febrero (mes más frio) y 27.5 °C en julio (mes más cálido); la precipitación media anual es de 1 475.5 mm y la media mensual de 123.3 mm. La ciudad se encuentra dentro de la región hidrogeológica RH33, cuenta con varios cenotes, aguadas y cuerpos de agua intermitentes y perennes (^{SEDUMA 2008}) y predominan los suelos de tipo litosol y rendzina con clase textural media, mientras que el subsuelo está formado por calizas blancas, arenosas, no mineralizadas (^{Ruiz-Ramírez et al. 2020}).

Figura 1: Ubicación del área de estudio. 

Resultados

Para el relieve se identificaron 364 depresiones kársticas dentro de la zona urbana de Playa del Carmen (Figura 1), con un intervalo de profundidad de 1 a 6.75 m, con media de 2.20 m, el área de las de- presiones fluctúa entre los 310.30 m² hasta los 53819.83 m², con media de 2 889 m², el volumen oscila de los 147.65 a 143 006.59 m³, con media de 4 436.29 m³. Por el índice de elongación, se reconocen 87 dolinas (23.90%), 157 dolinas-Úvalas (43.13%), 46 úvalas (12.63%) y 74 poljes (20.32%). En la Tabla 2 se muestran los máximos, mínimos y promedios de las características morfométricas para cada grupo y en la Figura 2 se representa la frecuencia de depresiones kárstica por uso de suelo. Estos resultados permiten ubicar las zonas con mayor vulnerabilidad por frecuencia de depresiones en el sector norte y sur de la zona urbana, donde predomina el uso de suelo turístico residencial y habitacional de alta intensidad con una frecuencia de 30 a 37 unidades, con predominancia de dolinas-úvalas (Figura 3 y Tabla 3).

Figura 2 Frecuencia de depresiones kársticas por unidades de uso del suelo. 

Figura 3 Mapa de vulnerabilidad (relieve, clima, ascenso del nivel del mar y uso de suelo). 

Los registros de precipitación anual histórica mínima, máxima y promedio, así como el IMF para cada estación se presentan en la Tabla 4, donde se observa que los valores extremos de precipitación se registran en Central Vallarta (67.3 mm) y el máximo en Playa del Carmen (2 790.4 mm). El índice de calidad de la información (ICI) mostró que seis estaciones tienen una calidad superior al 90% (Cobá, Cancún, Kantunilkín, Victoria, Solferino e Ideal), tres estaciones tienen una calidad media de 70 a 89% (Leona Vicario, Tulum y Playa del Carmen) y dos con valor inferior al 60% (Cozumel y Central Vallarta). Los resultados del IMF del promedio de 28 años registró el valor máximo en la estación de Cancún (224.1), con categoría de precipitación muy alta, al igual que las estaciones de Leona Vicario, Cobá, Solferino, Tulum, Cozumel, Victoria, Playa del Carmen, Ideal y Kantunilkín; mientras que el valor mínimo (130.7) se registró para Central Vallarta, clasificándose como alto. Pero para la zona urbana de Playa del Carmen los valores oscilan de 185.02 hasta los 200.74 clasificándose dentro de la categoría muy alto, según la clasificación propuesta por Arnoldus. La mayor vulnerabilidad se observa al sureste de la zona urbana con valores del IMF de muy alto (198.46 a 200.74).

Figura 4 Uso de suelo. 

La ciudad de Playa del Carmen se ubica en el litoral costero y la altitud máxima es de 11 msnm. Por medio de las proyecciones del ascenso del nivel de mar de uno a cinco metros y la ubicación de las depresiones kársticas, se identifica que el 57.96% de éstas se verían afectadas si se considera la altitud del fondo de cada unidad. Por lo que el ascenso de un metro afectaría 19 depresiones, con ascenso de tres metros tendría influencia en 93 unidades y con un escenario de ascenso de cinco metros afectaría 211 depresiones. Con respecto al nivel piezométrico, éste oscila de 2.15 a 19.11 m, al aplicar un análisis de interpolación, el nivel piezométrico de la zona urbana es de 6.40 m. La distancia de la línea de costa al límite de la urbana es de hasta 9 km. Con el análisis de estas variables se identificó la zona más vulnerable en el primer kilómetro con respecto al litoral (Figura 3 y Tabla 3).

Se identificaron 630 polígonos con 24 diferentes usos de suelo. Principalmente de uso mixto barrial, ubicado en los bordes de las zonas de uso habitacional. Los usos de suelo con menor frecuencia son destinados a distrito de negocios, parques privados y la protección a pozos y humedales con un polígono. Conjuntamente, las zonas con mayor coeficiente de ocupación de suelo son las destinadas al uso comercial, con autorización de construir hasta el 70% en el terreno. El uso del suelo se agrupo en 11 tipos principales (Figura 4) de acuerdo con las actividades permitidas señaladas en el plan de desarrollo urbano. Se atribuye una vulnerabilidad alta a muy alta en la mayor parte de la ciudad, asociada al uso comercial, turismo residencial, habitacional alto y uso mixto. La vulnerabilidad más baja se identificó en las zonas de protección asociada a depresiones kársticas, manglares y zonas de selva (Figura 3 y Tabla 5).

Discusión

Se han desarrollado una gran variedad de índices para calcular la vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos con la consideración de particularidades de las zonas de estudio, siendo los factores más utilizados el espesor de las capas sobre el sistema, profundidad del suelo, litología del acuífero y tipos de suelos (^{Ríos-Roja y Vélez-Otálvaro 2008}, ^{Bolio-Barrientos et al. 2011}, ^{Doummar et al. 2012}, ^{Aguilar et al. 2013}, ^{Estrada-Godoy et al. 2013}, ^{Torres Díaz et al. 2014}), estos factores se centran en un análisis geohidrológico. Si se consideran los antecedentes de los estudios en la península de Yucatán, se continua con el uso de los factores relieve y clima propuestos en el IVAKY (^{Aguilar-Duarte et al. 2016}). Pero al factor relieve no se le dio el mismo grado de importancia debido a que el presente estudio se centra en zonas altamente urbanizadas y transformadas; razón por la que se descartó el tipo de suelo. Se incorporan dos nuevos factores, as- censo del nivel del mar (^{Medina-Moreno et al. 2014}, ^{Hoogesteijn-Reul et al. 2015}, ^{Contreras-Tax et al. 2021}) y uso de suelo (^{Pousa et al. 2007}, ^{Barragán y de Andrés 2016}). A partir del análisis cuantitativo de las depresiones kársticas, se incorpora en el análisis del relieve la distribución y características geomorfológicas de las unidades a mayor detalle (escala 1: 10 000), lo cual contrasta con el modelo propuesto para Yucatán (IVAKY), en el cual se usa una escala media (1: 50 000) (^{Aguilar-Duarte et al. 2016}). Además, el relieve un posee un peso significativo para los modelos KAVI, KARSTIC, LEPT e IVAKY.

El factor clima puede medirse con diferentes índices, entre ellos la cantidad e intensidad de precipitación anual del área de estudio, el cual se usa en el modelo COP (^{Doummar et al. 2012}) o por medio de la distribución espacial con la duración del periodo de lluvias propuesto por ^{Delgado-Carranza et al. (2011)}, calculado a partir de datos de precipitación y temperatura, y que se usa en el modelo IVAKY (^{Aguilar-Duarte et al. 2016}). Sin embargo, para este trabajo se decidió proponer una opción sencilla de calcular, a partir de la información disponible, la agresividad de lluvia con el Índice Modificado de Fournier, ya que solo se necesitan datos de precipitación mensual de las estaciones meteorológicas cercanas al área de estudio. Cabe mencionar que los resultados obtenidos son generales y a una escala media, ya que solo existen dos estaciones meteorológicas dentro de la zona urbana.

Se considera la presencia de depresiones kársticas por su gran relevancia para el cálculo de vulnerabilidad (^{Plan et al. 2009}) y por el hecho de tratarse de una zona costera, se propone el ascenso del mar como un factor significativo para este estudio, ya que el aumento del nivel del mar es el principal impacto del cambio climático (^{Nicholls y Cazenave 2010}), donde se puede reconocer los efectos como la inmersión total o un incremento en las inundaciones de la costa, pérdida o cambios en hábitats, erosión costera e intrusión de agua salina sobre las aguas superficiales y los mantos acuíferos (^{Nicholls 2015}). El estudio de Ruiz-Ramírez ^{et al} . (2020) muestra los escenarios de aumento del mar para la ciudad de Playa del Carmen y deja en evidencia los daños potenciales que trae consigo el aumento del mar, ya que estima una afectación de 90 895 m² con un aumento de tres metros.

Tradicionalmente, se considera al suelo como un factor significativo en los modelos de vulnerabilidad, las características de espesor, la textura y los tipos de arcillas son los elementos significativos para el modelo KARSTIC (^{Davis et al. 2002}). También se considera la permeabilidad del suelo para el modelo KAVI (^{Aguilar et al. 2013}) y, a partir de las asociaciones edáficas, para cada unidad geomorfopedológica del IVAKI (^{Aguilar-Duarte et al. 2016}). Estas variables funcionan para estudios a es calas medias, ya que no existe información a nivel de detalle o donde se tienen sitios con bajo nivel de transformación natural del paisaje. Debido a lo anterior, se consideró incorporar el uso de suelo debido al avanzado desarrollo urbano de la zona costera. En el nororiente de la Península de Yucatán los índices de crecimiento de población y de expansión urbana son muy altos, asociados a la falta de planificación urbana y ausencia de servicios de tratamiento de aguas residuales (^{Frausto- Martínez et al. 2021}). Esta variable afecta la calidad de los sistemas hídricos, ya que en ellos se desarrollan actividades de fabricación, almacenaje y trasportación que contienen sustancias potenciales para la contaminación de las aguas subterráneas mediante la infiltración. Asimismo, juega un papel importante ya que afecta la recarga de los acuíferos de dos formas, lo potencializa debido a la reducción de la cubierta impermeable, la escorrentía urbana de pozos secos y su posterior infiltración, rebose de alcantarillado y tuberías de agua y el riego excesivo. Por otra parte, disminuye la recarga por las superficies impermeables, la captación de aguas por la red pluvial y la extracción del agua (^{Howard y Gerber 2017}). A pesar de que esta variable no es común dentro de los modelos de vulnerabilidad, existen estudios como los de ^{Howard y Gerber (2017)} y ^{Serra et al. (2021)}, que han considerado el uso de suelo para el estudio de la contaminación de aguas subterráneas; al respecto ^{Heißa (2020)} ha anexado este factor junto con el análisis de índice DRASTIC y, ^{González Herrera et al. (2018)}, ha modificado este índice, con el uso de suelo agregado.

Para la vulnerabilidad por factor, se observa que el clima tiene un comportamiento inverso a los resultados reportados para el estado de Yucatán con el modelo IVAKY, donde la mayor vulnerabilidad se ubica al centro de Yucatán y disminuye conforme se aproxima a la costa (^{Aguilar-Duarte et al. 2016}). En el factor relieve su distribución es más homogénea y con tendencia a una vulnerabilidad alta y muy alta para ambos estudios. Para el ascenso del nivel de mar, la vulnerabilidad más alta se encuentra en las zonas próximas a la costa, lo cual coincide con los estudios de ^{Chachadi y Lobo-Ferrerira (2001)} y ^{Blanco-de-la- Paz et al. (2018)}.

Conclusiones

Los factores propuestos para la construcción del índice de vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos kársticos, presenta las formas del relieve a escala detallada permitiendo una diferenciación fina de la vulnerabilidad. El incorporar el factor uso de suelo permitió un análisis de toda el área de estudio, a pesar de que esta se encuentra en su mayor parte urbanizada. El factor ascenso del mar muestra el grado de vulnerabilidad en un plano vertical y horizontal, este factor es importante considerarlo debido a la proximidad de la ciudad con el mar. Por último, el factor clima auxilió en la aproximación de la realidad; pero es necesario el uso de otros insumos, ya que no se cuenta con estaciones meteorológicas a escala local. Con el análisis de los cuatro factores se tiene una aproximación multidisciplinaria de la vulnerabilidad, por lo que, los factores propuestos pueden ser utilizados para la construcción de un índice de vulnerabilidad para acuíferos kársticos- costeros en zonas urbanas en zonas con características similares.