Introducción

La variabilidad climática (VC) y el cambio climático (CC) se asocian a cambios en el régimen del clima y han mostrado efectos notables en el ciclo hidrológico (^{García-González et al., 2007}). La VC, entendida como las modificaciones en las condiciones climáticas medias en todas las escalas temporales y espaciales (^{Quintero-Ángel et al., 2012}), se puede manifestar por fenómenos naturales como el evento cálido de El Niño y su contraparte fría, La Niña, conocidos conjuntamente como El Niño-Oscilación del Sur (ENOS).

^{Quintero-Ángel et al. (2012)} definen el CC como las alteraciones del clima en grandes intervalos de tiempo (generalmente décadas) y en relación con periodos históricos comparables, asociados a causas antrópicas y naturales (externas o internas a la tierra), con ocurrencias en el pasado geológico. Sin embargo, un amplio consenso científico, con base en modelos matemáticos de 90% de confiabilidad (^{Santiago et al., 2008}) y la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (^{IPCC, 2013}) coinciden en que el CC es resultado de las modificaciones en el clima, en preciso vínculo con las actividades humanas. Y es que muchos de los cambios observados desde la década de 1950 no han tenido precedentes en los últimos decenios a milenios: la atmósfera y el océano han elevado su temperatura, los volúmenes de nieve y hielo van en descenso, y el nivel del mar y las concentraciones de los gases de efecto invernadero (GEI) se han incrementado (^{IPCC, 2013}).

Debido a que el CC interactúa con la VC y con otros factores como los GEI, es difícil distinguir entre sus límites y respectivos impactos (^{García-González et al., 2007}), sobre todo en regiones donde se presenta una significativa influencia de la VC en las condiciones corrientes del clima (^{WMO, 2009}). No obstante, se sabe que dichas variaciones generan notables efectos en el ciclo hidrológico y que están estrechamente ligadas a una compleja red de retroalimentación en la que los cambios en el clima inducen modificaciones en los sistemas hidrológicos y éstos, a su vez, a variaciones climáticas como: cambios en el vapor de agua (efecto invernadero), en las nubes (albedo y efecto invernadero), en la temperatura del océano, almacenamiento de calor y transporte, escorrentía, humedad del suelo (balance de calor superficial) e interacciones entre los ciclos del agua y del carbono (^{García-González et al., 2007}). Los análisis científicos señalan una tendencia creciente en la frecuencia e intensidad de los eventos meteorológicos extremos asociados al CC en los últimos 50 años (^{IPCC, 2013}).

En este contexto, los cambios en la magnitud y la frecuencia de las inundaciones y sequías se pueden analizar por medio de series climáticas e hidrológicas largas para cuantificar la persistencia de patrones de circulación atmosférica anómalos en el pasado: los impactos del CC sobre los extremos hidrológicos pueden afectar el número de episodios de caudal extraordinario que se producen en un año, su frecuencia interanual, la duración y el volumen de los hidrogramas, así como los caudales punta que se registran (^{Benito, 2005}).

Las inundaciones provocan los mayores desastres en el mundo (^{Zhang & Singh, 2005}) y equivalen a 50% de las catástrofes con significativo impacto en la sociedad (^{CRED, 2009}) debido a su efecto en los territorios densamente poblados (^{Garnica & Alcántara, 2004}). En 2014, estos eventos afectaron a 42.3 millones de personas en el mundo y ocasionaron pérdidas económicas por 37.7 billones de dólares (^{Guha-Sapir et al., 2015}).

Los resultados del estudio de México sobre el CC presentados en la primera comunicación nacional del país sugieren que las variaciones en el ciclo hidrológico se asocian con el ENSO y que El Niño es el principal modulador de lluvias en el país (^{Magaña y Gay, 2002}). Según ^{Santiago et al. (2008)}, en 2008 se registró un número superior de lluvias torrenciales en el país con respecto a los últimos 10 años.

El sector agrícola es vulnerable a los efectos de inundaciones, vientos, lluvias y temperaturas extremas (^{Ponvert-Delisles et al., 2007}), por lo que la presencia en forma extraordinaria de estos fenómenos naturales lo afecta gravemente. En este sentido, la ocurrencia de lluvia intensa en cortos periodos en la cuenca de Metztitlán favorece que el río llene rápidamente su vaso de descarga (lago Metztitlán) y se desborde sobre el distrito de riego 08 (DR-08), ubicado dentro de la Reserva de la Biósfera de la Barranca de Metztitlán (RBBM), que ocupa 5 837 hectáreas. El DR-08 maneja dos ciclos de cultivo bajo riego (otoño-invierno y primavera-verano) y segundos cultivos que permiten obtener, en conjunto, una elevada producción de calabacín, ejote, frijol, maíz y sorgo. Entre sus cultivos perennes destacan el nogal, el aguacate y frutas como durazno y granada. En el ciclo 2013-2014 generó un rendimiento de 45 364 toneladas, lo que equivale a aproximadamente 200 millones de pesos (^{CONAGUA, 2015}).

La cuenta de Metztitlán destaca por su importancia económica y valor ecológico; sin embargo, presenta inundaciones recurrentes, las cuales provocan severas afectaciones al sistema productivo, al sector social y al medio ambiente. Ejemplo de ello es el evento ocurrido en 1999, el cual, con precipitaciones correspondientes a un periodo de retorno de 20 años, cubrió 4 200 hectáreas (66% de la superficie del DR-08 y 34% de la RBBM).

Pese a la operación de dos túneles de desfogue en el lago hacia el río Almolón (túnel uno y dos, cota 1 256.8 y 1 244.8 msnm; gasto máximo de desfogue de 53 y 11 m³ s^-1, respectivamente -^{CONAGUA, 2003} -; inicio de operaciones, año 1937, -^{Ramírez & Cuevas, 2014} -), se logró evacuar el agua en 6 meses; el volumen acumulado (470 Mm³) superó nueve veces la capacidad del lago (52 Mm³, cota 1 246.2 msnm; ± 1 240 ha), lo que ocasionó pérdida de cultivos; daños a la infraestructura productiva y de agua potable; aislamiento de las poblaciones por meses; pérdidas económicas considerables y daños a la biodiversidad (^{CONAGUA, 2003}). Y es que el lago está considerado como un sitio Ramsar (^{RAMSAR, 2007}); es decir, un humedal de importancia para las aves migratorias en la RBBM. Además, el lago realiza varias funciones ecosistémicas: retiene nutrimentos y sedimentos, recarga el acuífero subterráneo, estabiliza las condiciones climáticas locales y es fuente de riqueza biológica y genética.

Para solucionar parte de los efectos sociales y económicos de las inundaciones, la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) propuso construir un tercer túnel de desfogue, el cual se establecería a un nivel inferior de los dos túneles existentes (cota 1 241.5 m) y liberaría los volúmenes de agua excedentes a la cota 1 244.8: 250 m³ s^-1, en 13 días, y 880 m³ s^-1, en 60 días (con un gasto máximo de desfogue de 112.5 m³ s^-1). No obstante, la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales tiene interés en evitar el nivel excesivo de agua, que, en caso de ocurrir, afectaría a la biodiversidad de la RBBM que se beneficia del lago.

Por lo tanto, los objetivos de esta investigación fueron: 1) realizar el análisis hidrológico de largo plazo de la cuenca del río Metztitlán con la finalidad de identificar signos de cambio climático en términos de la media estadística, mediante la estimación de la tendencia histórica de los escurrimientos del periodo 1937-2008, con el software Shift Detection (^{Rodionov, 2004}); 2) definir las cotas de mayor riesgo de inundación para conocer las localidades afectadas y 3) estimar el caudal ambiental del río Metztitlán con base en el método Tennant, así como los probables volúmenes de desfogue, a fin de resguardar la salud del ecosistema.

Cabe mencionar que, si bien existieron limitaciones por la falta de datos hidráulicos y biológicos de la cuenca, la disponibilidad de registros hidrológicos favoreció el empleo del método Tennant, el cual, de acuerdo con la norma mexicana NMX-AA-159-SCFI-2012 (^{Secretaría de Economía, 2012}), permite determinar el caudal ambiental de un cuerpo corriente, y asegura la protección de sus condiciones ambientales y equilibrio ecológico.

Materiales y métodos

Descripción de la zona de estudio. La cuenca del río Metztitlán se ubica entre las coordenadas 19° 53’ 41’’ y 20° 45’ 05’’ latitud norte, y 98° 55’ 04’’ y 98° 08’ 39’’ longitud oeste; abarca una superficie de 277 236.14 hectáreas y presenta un gradiente altitudinal entre 1 246 (lago de Metztitlán) y 3 100 msnm (sierra de Singuilucan) (Figura 1).

Figura 1 Ubicación de la cuenca del río de Metztitlán, en Hidalgo, México. 

La vegetación se determina por el efecto barlovento-sotavento (^{Barradas et al., 2004}). En los bordes de la cuenca (barlovento), las montañas captan la mayor parte de la lluvia (al noreste, Zacualtipán y Agua Blanca; al sureste, Acaxochitlán; al sur, Singuilucan, y al suroeste la sierra de Pachuca), lo que permite el desarrollo de bosques de clima templado (mesófilo de montaña, de Pinus y Pinus-Quercus). En la parte interna de la cuenca (sotavento), el viento presenta poca humedad por el efecto llamado “sombra geográfica”, lo que aunado a la escasez de precipitaciones favorece el crecimiento de matorral xerófilo crassicaule, espinoso y rosetófilo (^{López-Herrera et al., 2015}).

El lago se encuentra entre los municipios Metztitlán y Eloxochitlán, en la parte norte de la RBBM, en el estado de Hidalgo, entre los 20° 31’ y 20° 43’ LN, y 98° 37’ y 98° 52’ LO, a ± 1 246 msnm (considerando su almacenamiento promedio de 52 Mm³).

El lago pertenece a la Región Hidrológica 26 Alto Pánuco y su aporte principal es el río Venados (río Grande Tulancingo, al sur, y río Metztitlán, al norte de la RBBM), cuya longitud aproximada es de 100 km dentro de la cuenca. Eventos tectónicos ocurridos en el periodo geológico del Cuaternario tardío sugieren que el cerro El Tajo se derrumbó y bloqueó el río que corría sin restricciones, lo que conformó una represa natural: el lago Metztitlán (^{Suter, 2004}).

La agricultura, principal actividad económica de la región, es desempeñada por 73% de la población (^{López-Herrera et al., 2015}). Se siembra calabaza, chile verde, ejote, frijol, jitomate, maíz y sorgo, entre otros cultivos; el nogal es distintivo de la zona. Así, el DR-08, que opera esencialmente bajo riego, es de relevancia en el estado de Hidalgo.

Sin embargo, las inundaciones constituyen un problema frecuente en Metztitlán; al llenarse el vaso del lago, éste se desborda desde la parte sureste de la cuenca hasta la noroeste. Los eventos más recientes se presentaron en 1999 y 2005: el primero alcanzó a la comunidad de Venados y cubrió gran parte del DR-08; el segundo afectó al poblado de Jilotla, con menor intensidad y magnitud (^{López-Herrera et al., 2015}).

La cuenca tiene un coeficiente de escurrimiento superficial de 0-5% (^{CONANP, 2003}); el clima que predomina es BS₀hw (seco semicálido), con régimen de lluvias en verano y un porcentaje de lluvia invernal entre cinco y diez, e invierno fresco (^{García, 2004}; ^{SPP, 1992}). La precipitación media anual es entre 450 y 700 mm en las áreas de mayor altitud (^{CONANP, 2003}). Los principales tipos de suelo en la cuenca son litosoles, rendzinas, regosoles, fluvisoles, feozems y vertisoles (^{CONANP, 2003}); en las márgenes del río Metztitlán destaca el fluvisol calcárico (^{SPP, 1992}).

Tendencia histórica de los escurrimientos en la cuenca Metztitlán, 1937-2008. Existen diversos métodos diseñados para detectar cambios de régimen en series temporales. El Sequential Regime SHIFT Detection (^{Rodionov, 2004}; ^{Bering Climate, 2006}) es un software que permite indicar la posibilidad de dicho cambio en tiempo real y estudiar variables de tipo físico (como la cobertura de hielo), biológico (como la biodiversidad y biomasa de zooplancton), climático (como el fenómeno ENSO y la oscilación del Pacífico Norte) y sus combinaciones. El programa tiene ventajas sobre otros métodos: señala la emergencia de un cambio potencial y mide el rango de confianza en la evidencia de un dato nuevo con respecto al anterior (^{Rodionov y Overland, 2005}). Debido a esto, a la flexibilidad para el manejo de datos y a su adaptabilidad a la zona de estudio -no requiere mayor cantidad de información-, se utilizó el Shift Detection para identificar en el régimen de escurrimientos de la cuenca los cambios significativos en términos de la media, así como la magnitud de las fluctuaciones del periodo 1936-2008.

El programa se fundamenta en las diferencias de los niveles promedio de una variable climática determinada 𝑋 (por ejemplo: lluvia, velocidad del viento, presión barométrica, temperatura, entre otros) en una serie de tiempo (duración multianual), y se apoya en la prueba estadística t de Student. En el conjunto de datos de dos extremos, se examinaron cortes de longitud de análisis de 5 (CL5) y de 10 años (CL10), con una probabilidad = 0.1, donde el menor corte permite observar mayor detalle en la magnitud del cambio. El programa identifica los cambios en el régimen de la serie de tiempo mediante las siguientes etapas: 1) Establece la longitud de corte (𝑙; 5 𝑜 10 𝑎ñ𝑜𝑠) de los regímenes por evaluar para la variable 𝑋 (escurrimientos). 2) Determina la diferencia (diff) entre valores medios de dos regímenes subsecuentes, que pueden ser estadísticamente significantes de acuerdo con la prueba t de Student:

Donde 𝑡 es el valor de la distribución -t con 2𝑙 - 2 grados de libertad al nivel de probabilidad dada p. El programa asume que las varianzas de ambos regímenes son similares e iguales a la varianza promedio 𝜎𝑙2 para los intervalos de corte de longitud 𝑙 en la serie de tiempo de la variable 𝑋. 3) Calcula la media (𝑋𝑅1) de los valores del corte de longitud inicial 𝑙 de la variable 𝑋, como una estimación para el régimen R1, y los niveles que deben ser alcanzados en los años del subsecuente corte de longitud 𝑙, a fin de evaluar un cambio para el régimen R2, (𝑋´𝑅2=𝑋𝑅1±𝑑𝑖𝑓𝑓).

4) Para cada nuevo valor comenzando en el año 𝑖=𝑙+1, se verifica si éste es mayor que 𝑋𝑅1 +𝑑𝑖𝑓𝑓 o menor que 𝑋𝑅1−𝑑𝑖𝑓𝑓 . Si éste no excede el rango 𝑋𝑅1±𝑑𝑖𝑓𝑓, se asume que el régimen no ha cambiado. En dicho caso, se calcula de nuevo el promedio 𝑋𝑅1 para incluir el nuevo valor 𝑋𝑖 y los valores previos de 𝑙−1 de la variable 𝑋, y se espera el siguiente valor. Si el nuevo valor de 𝑋𝑖 excede el rango 𝑋𝑅1±𝑑𝑖𝑓𝑓, este año se considera como un posible punto de inicio (𝑗) para el nuevo régimen R2. 5) Después de que este punto se establece, cada nuevo valor de 𝑋𝑖, donde 𝑖 >𝑗, se usa para confirmar o rechazar la hipótesis nula de un cambio de régimen en el año 𝑗. Si la anomalía 𝑋𝑖− 𝑋´𝑅2 es del mismo signo que al momento del cambio de régimen, se incrementa la confianza de que el cambio sí ocurrió. Es todo lo contrario si las anomalías tienen signos opuestos. Este cambio en la confiabilidad de un cambio de régimen en 𝑖=𝑗 se refleja en el valor del índice de cambio de régimen (RSI, por sus siglas en inglés), el cual representa una suma acumulada de anomalías normalizadas:

Aquí 𝑋𝑖∗=𝑋𝑖− 𝑋´𝑅2 si el cambio es ascendente, o 𝑋𝑖∗=𝑋´𝑅2−𝑋𝑖 si el cambio es descendente. El RSI toma valores entre -1.0 y 1.0, donde la cercanía a cero indica la ausencia de cambios en el régimen. Si en algún momento, desde que 𝑖=𝑗+1 pasa al siguiente 𝑖=𝑗+𝑙−1, el valor del índice RSI se torna negativo, se procede al paso 6; si es positivo, al paso 7.

6) El valor negativo del RSI significa que la prueba para un cambio de régimen en el año 𝑗 falló. Se asigna cero al RSI y se calcula de nuevo el valor medio de 𝑋𝑅1 para incluir el valor de 𝑋𝑗 y seguir probando los valores de 𝑋𝑖, comenzando con 𝑖=𝑗+1 para estimar la excedencia del rango 𝑋𝑅1±𝑑𝑖𝑓𝑓, como en el paso 4.

7) El valor positivo del RSI significa que el cambio en el régimen en el año 𝑗 es significativo al nivel de probabilidad p (0.1). Se calcula el valor medio real para el nuevo régimen 𝑋𝑅2. Este punto se convierte en la base a partir de la cual la prueba sigue adelante. La búsqueda del siguiente cambio de régimen R3 comienza con el año 𝑖=𝑗+1. Se regresa a este paso a fin de asegurar que el siguiente cambio de régimen en la serie se determine correctamente, incluso si la duración actual de régimen R2 fuera menor que los años del corte de longitud 𝑙. Los cálculos se continúan repetidamente del paso 4 al 7, hasta que se procesan todos los datos disponibles para la variable 𝑋.

Debido a los valores atípicos, el promedio no es representativo para el valor medio de los regímenes, lo que puede afectar significativamente los resultados de la detección del cambio de régimen. Idealmente, el peso para el valor de datos debe ser elegido de tal manera que sea mínimo si ese valor se considera como atípico. Para manejar los valores atípicos, el programa utiliza la función de peso de Huber (^{Bering Climate, 2006}), que se calcula como:

Donde la 𝑎𝑛𝑜𝑚𝑎𝑙í𝑎 es la desviación del valor medio esperado del nuevo régimen, normalizado por la desviación estándar promediada para todas las secciones consecutivas, del corte de longitud en la serie de datos. Si éstas son menores o iguales al valor del parámetro, sus pesos son iguales a uno. De lo contrario, los pesos son inversamente proporcionales a la distancia del valor medio esperado del nuevo régimen. Después de que se determina el cambio de régimen en la serie, los valores medios de los regímenes se determinan mediante un procedimiento iterativo: primero se calcula una media aritmética simple (sin peso), como una estimación inicial del valor medio del régimen; luego se calcula una media ponderada con los pesos, determinados por la distancia desde la primera estimación. El procedimiento se repite una vez más con la nueva estimación de la media del régimen.

Relación elevaciones-áreas-capacidades del lago Metztitlán. Ésta se determinó con base en información proporcionada por la ^{CONAGUA (2008)}, a fin de conocer las cotas susceptibles de resultar afectadas ante la presencia de eventos extraordinarios.

Cálculo de la probabilidad de los escurrimientos mensuales y balance hídrico. La probabilidad de los escurrimientos mensuales de la serie cronológica 1937-2008 se calculó mediante la fórmula de probabilidad de excedencia (PE) (^{Weibull, 1939}):

Donde m es el número ordinal del miembro de la serie cuando los elementos son ordenados en forma descendente, y n el número de años de observación. El balance hídrico se realizó a partir de los volúmenes que corresponden a una PE de 80%, a los que se les restó el valor medio de los volúmenes mensuales que se extrajeron del río Metztitlán (para beneficio del DR-08) correspondientes al periodo 2005-2008 (se consideró ese intervalo de tiempo por el acceso a la información). Después se sumó a la disponibilidad de agua en el lago del mes anterior, más el escurrimiento medio aportado en el mes actual, menos las extracciones medias de uso agrícola para el mismo periodo. Los volúmenes de desfogue se determinaron mediante la diferencia de los volúmenes promedio mensuales disponibles y el caudal medio mensual-rango óptimo (CMM-RO).

Caudales ecológicos y probables volúmenes de desfogue. El caudal ambiental es un instrumento de la gestión del agua que, con base en el principio ecológico del régimen natural y el gradiente del estado biológico, tiene por objetivo establecer un régimen para el sostenimiento de los ecosistemas y usos del agua. Numerosas metodologías se utilizan para este fin: hidrológicas (estiman dichos caudales mediante el estudio de una serie de valores históricos), holísticas (se emplean en cuencas cuyas características se transforman a causa de grandes presas que provocan gran variabilidad en el régimen de caudales) y de simulación del hábitat (generan un análisis detallado del hábitat físico disponible y el necesario para la biota a diferentes condiciones de flujo, pero requieren datos hidrológicos, hidráulicos y biológicos).

En este análisis se empleó el método ^{Tennant (1976)}, ya que es ampliamente usado en la planeación a nivel de cuencas hidrográficas (^{Acreman & Dunbar, 2004}) cuando hay pocos datos disponibles y porque la norma mexicana NMX-AA-159-SCFI-2012 (Secretaría de Economía, 2012) lo recomienda para establecer el régimen de caudal que mantiene los atributos biológicos en ciertos niveles de sobrevivencia, por lo que su uso admite un primer acercamiento al caudal ecológico que demanda la normativa ambiental mexicana.

Dicho método se fundamenta en el grado de conservación del hábitat del sistema hidrológico, el cual depende de su reserva ambiental hídrica en los periodos seco (PS) y húmedo (PH). Se expresa en porcentajes de su caudal medio anual (CMA) histórico: el CMA mínimo (10%) es el necesario para sostener un ecosistema que favorece la sobrevivencia de la mayoría de las formas de vida acuática en el corto plazo; el CMA excelente (30%) mantiene un medio adecuado para la sobrevivencia de las diversas formas de vida acuática, y el CMA rango óptimo (60-100%) provee un hábitat de características excelentes a excepcionales para la mayoría de las formas de vida acuática. En esta investigación se estimó el CMM-RO (versión modificada), con base en los escurrimientos medios mensuales del periodo 1937-2008 (obtenidos con el CL5).

Resultados

Tendencia histórica de los escurrimientos. En la figura 2 se muestran las fluctuaciones de los escurrimientos totales anuales (ETA) de la cuenca para el periodo 1937-2008. Los mayores se registraron en los años 1944 (465.3 Mm³), 1955 (560.1 Mm³), 1998 (474.7 Mm³) y 1999, siendo éste el más intenso (744 Mm³). En contraparte, los años de menor ETA son 1950 (81.8 Mm³) y 1997 (73.28 Mm³). Según el Shift Detection, no se detectaron cambios en el régimen de los escurrimientos medios anuales (REMA), los que equivalen a 176.08 Mm³)y 175.04 Mm³) conforme los CL10 y CL5 años, respectivamente.

Probabilidad = 0.1, Parámetro Huber = 1

Longitud de corte = 10, escurrimiento medio: 176.08 Mm³

Longitud de corte = 5 años, escurrimiento medio: 175.04 Mm³

*Mm³ = 1 x 10⁶ m³

Figura 2 Régimen de escurrimientos totales anuales (1937-2008) de la cuenca Metztitlán, en Hidalgo, México. 

Los escurrimientos promedio mensuales de la serie cronológica sugieren que el PS se integra por los meses enero a mayo, cuyos valores extremos corresponden a enero (6.8 Mm³) y marzo (3.8 Mm³) (Fig. 3). El PS incluye 14.33% del ETA. El PH se define de junio a diciembre, en el que septiembre (39.5Mm³) y octubre (32.5Mm³) muestran los mayores escurrimientos; y diciembre, el menor (8.4 Mm³). El PH reúne 85.67% del ETA.

Figura 3 Escurrimiento promedio mensual (1936-2008) de la cuenca Metztitlán, en Hidalgo, México; datos estimados con el corte de longitud de 5 años. 

Al realizar los CL10 para los regímenes mensuales del periodo señalado, se detectaron siete cambios (Tabla 1). Dos de ellos corresponden al PS y representan disminuciones de baja intensidad con respecto al valor medio de los escurrimientos, que en términos de la magnitud de cambio del RSI (escala de -1.0 a 1.0) equivalen a -0.04 para marzo de 1986 y -0.05 para mayo de 1995. Los cambios restantes (uno en el PS y cuatro en el PH) implican incrementos sobre el valor del escurrimiento medio, como los que se relacionan al mes de noviembre, de magnitud de 0.05 y 0.14 (Tabla 1) para los años 1951 y 2007 (Fig. 4). El incremento de mayor magnitud, de acuerdo con el CL10, corresponde a diciembre de 2007 (0.21).

Probabilidad = 0.1, Longitud de corte = 10, parámetro de Huber = 1

Escurrimiento medio: (1937-1950) 9.37 Mm³; (1951-2006) 12.19 Mm³; (2007-2008) 19.70 Mm³

Figura 4 Cambios en el régimen de los escurrimientos medios de noviembre de la cuenca Meztitlán en Hidalgo, México, de 1937-2007 (longitud de corte: 10 años). 

En el CL10, los RSI de mayor y menor significancia (en la escala -1.0 a 1.0, donde la cercanía a cero indica la ausencia de cambios en el régimen) se asocian a los años 2007 (0.67 -febrero, agosto, noviembre y diciembre-) y 1986 (0.04 -marzo-) (Tabla 1).

En el CL5 se observaron cinco cambios: dos de ellos implican disminuciones importantes con respecto al valor medio de los escurrimientos, que, en términos de la magnitud de cambio del RSI, equivalen a -0.63 y -0.32 para julio (PH) de 1977 y marzo (PS) de 1987, respectivamente (Tabla 1). Los demás cambios implican aumentos sobre el valor del escurrimiento medio (dos en el PH y uno en el PS). En la Figura 5 se observan dos alteraciones en el régimen de los escurrimientos medios mensuales (REMM) de julio para 1973 (magnitud de cambio 0.29) y 1977 (-0.63).

Probabilidad = 0.1, Longitud de corte = 5, parámetro de Huber = 1

Escurrimiento medio: (1937-1972) 16.23 Mm³; (1973-1976) 61.21 Mm³ y (1977-2008) 14.54 Mm³

Figura 5 Cambios en el régimen de los escurrimientos medios de julio (1937-2008) de la cuenca Metztitlán, en Hidalgo, México (longitud de corte: 5 años). 

En el CL5, los RSI de mayor y menor significancia se relacionan con julio de 1997 (0.67) y marzo de 1992 (0.1) (Tabla 1).

Áreas inundables en la cuenca de Metztitlán. En la figura 6 se observa el área inundable del lago y su capacidad de almacenamiento. Éste abarca 1 208 ha a la cota 1 246 (52 Mm³), la cual se incrementa a 1 572.83 ha a la cota 1 248 (76.15 Mm³). Es decir, la superficie del lago crece sólo en este intervalo de 2 metros, 364.88 ha (∆área). Los siguientes aumentos significativos en el área de desborde (superiores a 200 ha) se presentan entre los rangos de cota: 1 248-1 250, ∆área = 631.47 ha; 1 250-1 252, ∆área = 294.54 ha; 1 252-1 254, ∆área = 394.68 ha; 1 254-1 256, ∆área = 230.72 ha; 1 256-1 258, ∆área = 240.81 ha; y 1 262-1 264, ∆área = 391.45 ha.

Figura 6 Curvas de elevaciones-áreas-capacidades para el lago de Metztitlán, en Hidalgo, México. 

Caudal ambiental rango óptimo y probables volúmenes de desfogue. En el contexto de los escurrimientos calculados con una PE de 80% del periodo 1936-2008, septiembre presentó los mayores escurrimientos (102.1 Mm³); octubre, los menores (65.6 Mm³), y los demás meses, valores ± 70 Mm³ (Fig. 7). Conforme el programa de cultivos del DR-08, los volúmenes mensuales promedio que se extrajeron del río Metztitlán oscilaron durante los años 2005-2008: los meses de menor demanda correspondieron a junio y octubre (1.4 Mm³); y los de mayor requerimiento, a enero (3.6 Mm³), febrero (3.4 Mm³), marzo (4.1 Mm³), abril (3.6 Mm³) y septiembre (3.5 Mm³). Los resultados del balance hídrico indican que octubre (64.2 Mm³) y septiembre (98.6 Mm³) registran los valores extremos en torno a la disponibilidad de agua; de diciembre a junio, ésta se evaluó en ± 70 Mm³.

Figura 7 Volúmenes de desfogue excedentes al caudal ambiental de rango óptimo del lago de Metztitlán, en Hidalgo, México. *Con probabilidad empírica de 80%. 

Las estimaciones de los CMM-RO señalaron marcadas diferencias mensuales: los mayores caudales corresponden a septiembre (23.7 Mm³) y octubre (19.5 Mm³); entre 5 y 10 Mm³, noviembre, diciembre, junio, julio y agosto; y menores a 5 Mm³, enero a mayo (Fig. 7). El CMM-RO de septiembre corresponde a una cota y área inundable de 1 243.47 m y 772.9 ha. Marzo presentó el menor de todos los caudales (2.3 Mm³), se aproxima a la cota 1 239 y ocupa 278.12 ha.

Según la CONAGUA, el túnel propuesto podría tener un nivel máximo de aguas de operación (NAMO) a la cota 1 244.8 m, lo que implica un área de 1 003 ha.

Discusión

La VC es cada vez más notable, ya que la acumulación de los GEI en la atmósfera incrementa la temperatura del aire y del océano, lo que favorece la variabilidad natural. En consecuencia, en los últimos años se han presentado cambios climáticos inusuales a nivel mundial, como las modificaciones en los patrones de la lluvia y de los caudales de los ríos. ^{Mendoza et al. (1997)} mencionan que uno de los principales efectos del CC es la alteración del ciclo termo-hidrológico regional, acompañado de cambios en el escurrimiento superficial; éstos, a su vez, inciden en la distribución espacial y temporal y en los cambios de la magnitud y frecuencia de los eventos extremos, como sequía e inundaciones. Sin embargo, para evidenciar la existencia de un CC es necesario analizar la tendencia de variables climáticas, considerando diferentes escalas de tiempo y espacio.

En este sentido, al analizar la secuencia histórica de los escurrimientos de la cuenca Metztitlán, los CL10 y CL5 años del Shift Detection no detectaron cambios en el REMA (Fig. 2), pero permitieron identificar en qué años se presentaron escurrimientos extremos: los mayores, en 1944, 1955, 1998 y 1999; y los menores, en 1939, 1950 y 1997. Se observó que algunos de los años con valores de escurrimiento extremo (máximos o mínimos) coincidieron con periodos en los que se presentó el fenómeno ENOS: destacaron los años 1998, que registró escurrimientos máximos en la serie y concordó con uno de los episodios de mayor magnitud de ese evento (1997-1998), y los años 1939 y 1997, que mostraron los menores escurrimientos de la serie y que correspondieron con el evento de magnitudes fuerte y muy fuerte, respectivamente (Tabla 2).

Por su parte, los CL10 y CL5 señalaron siete y cinco cambios en el REMM (Tabla 1); ambos revelaron un incremento en marzo de 1951 (de magnitud 0.05 y 0.20). De acuerdo con las fluctuaciones observadas en los dos cortes, el valor del escurrimiento medio tiende a disminuir en el PS (años 1977, 1986, 1987 y 1995) y al incremento en el PH (años 1951, 1973, 1992), y con mayor intensidad en fecha reciente (año 2007). Esto implica que, de conservarse esta tendencia, habrá condiciones más extremas: meses secos con disminuciones y meses húmedos con un incremento en los escurrimientos.

Los años que se detectaron en ambos cortes también coinciden con periodos en los que se registró El Niño (Tabla 2). Tal es el caso de los ciclos 1997-1998 y 1998-1999, cuando se presentaron El Niño y La Niña, respectivamente, lo que sugiere que, además de otras influencias climatológicas cíclicas o no (como los ciclones que aumentan el volumen del lago Metztitlán), El Niño se puede relacionar con sequías en la región, y La Niña, con las inundaciones (^{CONANP, 2003}).

De acuerdo con el Intergovernmental Panel on Climate Change (^{Solomon et al., 2007}), los cambios en la precipitación y en la temperatura inducen a modificaciones en los escurrimientos superficiales. ^{Méndez et al. (2008)} señalan la tendencia de la lluvia en México (periodo 1920-2004). Particularmente en la zona que se ubica la cuenca de Metztitlán, las estaciones de primavera (marzo-mayo) y verano (junio-agosto) presentan tasas a la baja en términos de lluvia, de -2.45 ± 0.88 mm año^-1 y -0.2 a -2.7 mm año^-1, respectivamente. Mientras que otoño (septiembre-noviembre) registra un incremento de +4.32 ± 1.17 mm año^-1; en invierno (diciembre-febrero), dos variaciones: un aumento en la parte sur de la cuenca (1.43 ± 0.42 mm año^-1) y un descenso en el norte (-1.15 ± 0.49 mm año^-1). Este comportamiento se puede relacionar con lo que se detectó en este trabajo: los escurrimientos aumentan en otoño y disminuyen en invierno y primavera.

También se coincidió con el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (^{IMTA, 2010}) respecto al comportamiento histórico de las lluvias del estado de Hidalgo (periodo 1961-1990): su decremento en invierno (54-75 mm) y aumento en verano (540-616 mm), con temperaturas medias de 14.45 y 21.25 °C.

^{Díaz-Padilla et al. (2011)} determinaron, mediante el uso de series históricas de precipitación del periodo 1961-2003, que la sequía en México aumenta a partir del año 1990, en tanto que los periodos de humedad disminuyen a partir de esa década. Asimismo, detectaron sequía extrema en la estación Pánuco Veracruz en el año 1995, lo que coincide con las disminuciones detectadas en el CL10 de este análisis, sobre la media de los escurrimientos.

Se observa la correspondencia entre el comportamiento de los escurrimientos de los PS y PH de la cuenca de Metztitlán con los fenómenos meteorológicos, y, aunque no se detectaron cambios para el año 1999 (cuando ocurrió una crecida en octubre), esto coincide con el aumento de escurrimiento para el PH. Lo anterior indica que existe consistencia entre los resultados encontrados en esta investigación y los reportados para la región (mediante el análisis de series históricas) por otros investigadores.

Con respecto a las proyecciones de un futuro cercano, el ^{IMTA (2010)} analizó el escenario A₂ (altas emisiones de GEI) de CC para el estado de Hidalgo y estimó disminuciones de precipitación en invierno (de -10 a -15% para el periodo 2010-2039, y de -20 a -25% para 2040-2098) y en verano (-5 a -10% para 2010-2098), con incrementos de temperatura de 2.74 y 3.47 °C en cada estación. Esto coincide con las disminuciones de los escurrimientos en el PS reportados en esta investigación, pero difiere con los incrementos detectados para el PH.

Las predicciones indican el aumento de temperatura y la disminución de lluvias para los próximos 100 años, y mayor susceptibilidad de las regiones áridas y semiáridas de México debido a cambios de incremento en el régimen de lluvia (^{IMTA, 2010}; ^{Méndez et al., 2008}): los escurrimientos superficiales disminuirán en 10 a 30% debido a las altas tasas de evaporación que se presentarán en las regiones secas de latitudes medias. Al comparar estos datos con la tendencia de los escurrimientos de la cuenca de Metztitlán, se considera que, en caso de que ésta se conserve, se aproximará en invierno a las estimaciones del IMTA, pero serán opuestas para el verano.

Las estimaciones en escenarios del CC para los años 2020 y 2050 de precipitación en la RBBM sugieren un descenso en los valores de la lluvia media, en los que particularmente septiembre registrará la mayor merma (27.3 y 40.6%, respectivamente) (^{Gómez-Díaz et al., 2007}). Esto contrasta con los resultados generados en esta investigación, en los que septiembre presentó los escurrimientos máximos del REMM.

A pesar de estas conjeturas, ninguno de los modelos de circulación atmosférica global o regional es capaz de generar escenarios fiables sobre los cambios esperables en vínculo con los eventos extremos, ya que estas suposiciones parten de la base de que el CC alterará todo el volumen de la lluvia mensual en la misma cantidad, sin considerar la concentración de lluvia en periodos temporales cortos (^{Benito, 2006}).

Por su parte, ^{Hurrell (1995)} menciona que los cambios locales en las tendencias de lluvia se pueden atribuir a alteraciones en la circulación atmosférica y a modificaciones de los forzamientos radiativos. En este sentido, ^{Barradas et al. (2004)} realizaron mediciones de balance de energía para determinar la redistribución de dos tipos de comunidades vegetales y sus efectos sobre el flujo de calor sensible en la zona, y concluyeron que existe la posibilidad de que haya CC principalmente en la época seca. ^{Buendía (2012)} ratifica que las variaciones del clima en México de las últimas tres décadas obedecen a incrementos de la energía solar, que llegó a la cúspide de la atmósfera, y a variaciones de la energía interna del fenómeno El Niño- y que por ningún concepto se asocian al CC por efecto invernadero.

Después de analizar los cambios sobre la media de los escurrimientos de la cuenca Metztitlán de la serie 1937-2008, se considera que los resultados obtenidos no permiten detectar señales que vinculen las variaciones encontradas con el CC, pero sí permiten establecer una correspondencia con la variabilidad interanual de las precipitaciones asociadas con el ENSO, que ha sido causante de sequías extremas y lluvias extraordinarias en diferentes regiones geográficas del planeta.

^{Kundzewicz y Mata (2004)} reportan que en diversas regiones hay tendencias aparentes de incrementos y disminuciones en los caudales de los ríos, que pueden ser resultado del CC o de otros factores, como la variabilidad hidrológica a lo largo del tiempo. En la cuenca Metztitlán, estas precisiones son difíciles de establecer debido al corto periodo de los registros disponibles y a que se carece de mayor información para valorar las condiciones actuales con respecto a los cambios del pasado reciente.

De acuerdo con ^{García (2004)}, por la ubicación geográfica de la cuenca Metztitlán, la lluvia se registra esencialmente en verano y parte del otoño: la entrada de humedad hacia la región por el lado del Pacífico es factible y relaciona la mayor frecuencia de los ciclones tropicales que se originan en el océano Pacífico con el aumento de lluvia de septiembre. En este contexto, se observó que la distribución de los escurrimientos superficiales totales anuales de la cuenca corresponden a 14.33% para el PS y 85.67% para el PH; sobresale septiembre, por contener 21% de los escurrimientos con respecto al total anual y 24.5% con respecto al PH.

Adicionalmente, existen factores humanos que pueden contribuir sustancialmente al cambio de las características climáticas en la región. Así lo señalan los estudios de ^{Valdez-Lazalde et al. (2011)}, ya que la deforestación anual en la cuenca (0.5%) permitió el establecimiento de terrenos agrícolas, el cambio de la cobertura vegetal en áreas forestales y el crecimiento urbano a razón de 250.8% en el periodo 1985-2007. Éste desplazó al bosque en Zacualtipán, al matorral en Atotonilco el Grande, y a la agricultura de riego y de temporal en Tulancingo.

La CONANP (^{CRM-CONANP, 2003}) reconoce que el aumento poblacional en los municipios (principalmente Metztitlán), las obras civiles, el aprovechamiento de los recursos geológicos, la tala y la erosión hídrica inducen a la pérdida de suelo antropogénica en la RBBM, lo que afecta a 3.78, 3.42, 0.5 y 3.85% de su superficie, respectivamente. Se considera que todo lo anterior, aunado a los cambios de uso de suelo que se generan en la cuenca, favorece que las precipitaciones extremas eleven la magnitud de las inundaciones y de sus efectos.

Es decir, las altas precipitaciones que se registran en verano en las zonas boscosas y las modificaciones en los coeficientes de escurrimiento vía deforestación-crecimiento urbano propician que la fértil vega del río Metztitlán presente frecuentes e intensas inundaciones, las que afectan las cosechas agrícolas y la biodiversidad de la RBBM, e incluso ponen en riesgo la vida de los pobladores.

Esto también tiene implicaciones en el ciclo hidrológico, en la conservación del suelo y en el clima local: si se conserva el superávit de lluvia por varios años, éste podría desempeñar un papel trascendental en la redistribución geográfica de las especies vegetales de los ecosistemas, así como en la disponibilidad del agua para la agricultura y el abastecimiento potable. De acuerdo con ^{Whitfield et al. (2002)}, los cambios físicos más importantes que se proyectan tienen modificaciones en la temporalidad de los caudales y en el volumen de agua de los ríos.

Inundaciones en la cuenca de Metztitlán. Con base en datos del ^{INEGI (2015)}, la carta topográfica F14D61 (^{INEGI, 2000}), las imágenes provistas por Google Earth (2016) y los datos tomados en campo, se determinó que los poblados que principalmente resultan afectados cuando se presentan las inundaciones son Tlacotepec, el cual, aunque está a una altitud de 1 272 m, se encuentra en las inmediaciones del área inundable, por lo que queda aislado cuando se presentan dichos eventos; Tlatepexe, cuya parte más baja coincide con la cota 1 260; El Pedregal de Zaragoza, San Cristóbal y Tecruz de Cozapa, que se extienden por debajo de la cota 1 260. En la figura 8 se pueden observar, de acuerdo con la cota, otras localidades que también son susceptibles de resultar afectadas por el desbordamiento del lago de Metztitlán. Cabe mencionar que la cota que se reporta con el poblado corresponde a su altitud media, por lo que las localidades se pueden desarrollar por debajo de dicho nivel.

Figura 8 Localidades en el área inundable en la cuenca del río Metztitlán, en Hidalgo, México. 

Por su parte, la Comisión Nacional de Áreas Naturales Protegidas (^{CRM-CONANP, 2003}) consideró más poblados y definió su respectivo grado de riesgo de inundación: moderado a normal en época de lluvias, Tlacotepec y camino Tlacotepec-Punta Hualula; moderado a alto con desborde del río Venados, Amajatlán, camino San Cristóbal-Tlacotepec, Macuila, Pedregal de Zaragoza, San Cristóbal y Tlacotepec; extraordinario con desborde del río Venados (por huracán o tormenta tropical intensa), Acalome, Amajatlán, Apanco de la Joya, Atzolcintla, Coateno, caminos San Cristóbal-Amajatlán y San Cristóbal-Atzolcintla, Coyometeco, El Carrizal, El Salitre, Jilotla, Macuila, Pedregal de Zaragoza, La Rivera de Metztitlán, San Cristóbal, Tlacotepec, Tlamaxa, Tlatepexe y Tres Cruces; moderado a alto (tormenta tropical o huracán), camino Xoxoteco-San Agustín, El Terrero, Ocuilcalco, San Agustín Metzquititlán y Xoxoteco. En conjunto, el área inundable equivale a 10% de la superficie de la RBBM.

De acuerdo con ^{Díaz y Vega (2001)}, es recomendable disponer de un mapa de la planicie de riesgo que delimite las zonas inundables por avenidas de cierto periodo de retorno, a fin de prevenir o mitigar los impactos ocasionados por el desbordamiento; esto, además, permitiría sentar las bases para el futuro desarrollo de las comunidades, el uso de la tierra y otras regulaciones.

Caudales ambientales y probables volúmenes de desfogue del tercer túnel. Los CMM-RO estimados indicaron las mayores reservas para septiembre (23.7 Mm³) y octubre (19.5 Mm³), cubriendo áreas de 772.9 (cota 1 243.47 m) y 650 ha (cota 1 242.9 m), respectivamente. En contraparte, los caudales menores serían para febrero (2.9 Mm³) y marzo (2.3 Mm³), ocupando áreas de 290.6 ha (cota 1 239.2 m) y 278.1 ha (cota 1 239 m). Esto señala que los caudales estarían por debajo de la capacidad normal del lago que considera la CONAGUA (de 52 Mm³, 1 237.54 ha y una cota 1 246.2 m).

Los volúmenes de desfogue se presentarían durante todo el año y serían de ± 70 Mm³, salvo en octubre, que sería de 44.7 Mm³. Al desfogar los volúmenes excedentes se reducirá el riesgo de inundaciones en la cuenca de Metztitlán, pero sólo disminuirá el tiempo de permanencia del desbordamiento y no la ocurrencia de las avenidas extraordinarias. Esto significa que las operaciones del tercer túnel sólo contribuirán a minimizar los efectos de las inundaciones. Como existe erosión en las partes altas de la cuenca, es necesario implementar obras para conservar el suelo: agricultura en terrazas en suelos con pendiente superior a 8%, integrar los esquilmos agrícolas, rotar cultivos, introducir barreras arbóreas perpendiculares a la dirección del viento, reforestar, construir represas y diques, desazolvar y rectificar cauces.

Considerando que la sedimentación del lago es de aproximadamente 20 cm año^-1, y ésta se redistribuye hacia el interior del sistema en la época de lluvia (^{Montero, 2008}), se podría pensar en un escenario hipotético en el que, sin prácticas de conservación del suelo hasta el año 2050, se provocaría un descenso en la capacidad de almacenamiento del lago en 7 metros de altura y se incrementarían significativamente los riesgos de inundar aguas arriba.

Adicionalmente, se sugiere establecer, durante las operaciones del túnel, un programa de manejo de los volúmenes de desfogue para evitar desequilibrio en las condiciones hídricas originales de la cuenca, y en el que también se consideren las posibles afectaciones aguas abajo, derivadas de una evacuación repentina y excesiva. ^{Santacruz de León y Aguilar-Robledo (2009)} recomiendan revisar los caudales ambientales al menos una vez cada 10 años, cuando un río se somete a nuevas y grandes extracciones de agua para beneficio humano.

De esta forma, se podrán aprovechar los terrenos agrícolas cercanos al lago y beneficiar a más de 3 000 propietarios del DR-08; se mantendrá la economía del municipio de Metztitlán, que depende de este sector; se contribuirá a la recarga del acuífero que subyace a la vega de Metztitlán (está en categoría geohidrológica de subexplotación: se recargan 8 Mm³ año^-1 y se extraen 7.3 Mm³ para uso público - ^{CONAGUA, 1998} -), y se conservará la biodiversidad de la RBBM.

Se concluye que el análisis hidrológico de largo plazo de la cuenca de Metztitlán (periodo 1938-2008) permitió evidenciar en el REMA lluvias extremas máximas en los años 1944, 1955, 1998 y 1999, y mínimas en 1950 y 1997. En el REEM, se observaron siete y cinco cambios en los cortes de longitud de 10 y 5 años, respectivamente. Dichos cambios implican una tendencia a la baja de los escurrimientos en el periodo seco, y al incremento en el periodo húmedo de años recientes. No se detectaron señales que permitan vincular estos cambios con el CC, pero sí se encontró cierta relación con el fenómeno ENSO.

Se determinó que las cotas de mayor riesgo de afectación por las inundaciones se encuentran en el intervalo 1 246-1 258 msnm. Aunque en la actualidad los poblados cercanos al área de desborde se ubican a mayores altitudes, algunos de éstos se extienden por debajo de los 1 260 msnm, por lo que son susceptibles de resultar afectados en caso de eventos extraordinarios, así como el DR-08. La inconveniencia del método Tennant consiste en que el análisis de los escurrimientos medios tiene un margen de error de 50%, por lo que se pueden sobreestimar los caudales ambientales.

A partir del presente estudio se sugiere que los CMM-RO permitirían desfogar volúmenes excedentes durante todo el año, registrando las menores evacuaciones en octubre.