Balance hídrico y calidad del agua subterránea en el acuífero del Valle del Mezquital, México central

 

Water balance and groundwater quality in the Valle del Mezquital aquifer, central Mexico

 

Luis E. Lesser–Carrillo^1*, Juan M. Lesser–Illades¹, Santiago Arellano–Islas² y David González–Posadas¹

 

¹ Lesser y Asociados S.A. de C.V., Río Guadalquivir #3, Col. Pathé, 76020 Querétaro, Querétaro, México.*luis_lesser@prodigy.net.mx.

² Comisión Estatal de Agua y Alcantarillado del Estado de Hidalgo, Emilio Carranza #101, Col. Carlos Robirosa, 42080 Pachuca de Soto, Hidalgo, México.

 

Manuscrito recibido: Febrero 19, 2010
Manuscrito corregido recibido: Enero 30, 2011

 

RESUMEN

Un aspecto relevante en el valle del Mezquital es que recibe aproximadamente 50 m³/s de agua residual no tratada proveniente de la Ciudad de México, a través del Gran Canal del Desagüe, el Interceptor Poniente y el Emisor Central. Esta agua se utiliza para el riego de alrededor de 45214 ha y parte se infiltra al acuífero. El 81% de los canales principales y el 52% de los canales laterales no se encuentran revestidos, permitiendo la infiltración y recarga del agua residual directamente al acuífero. Se realizó un estudio geohidrológico de actualización en el acuífero del valle del Mezquital mediante el cual se diferenciaron dos horizontes acuíferos que no se habían detectado en estudios previos, uno superficial y otro profundo. Como resultado del balance de aguas subterráneas, se encontró que la principal entrada de agua al acuífero del valle del Mezquital corresponde a la infiltración de las aguas residuales sin tratar provenientes de la Ciudad de México, a través de canales y retornos de riego. Las salidas de agua del acuífero se llevan a cabo a través de manantiales que descargan al río Tula. Otra parte es extraída por pozos y el resto descarga hacia el norte y noreste, tanto en forma superficial (drenado por el río Salado), como subterránea. Durante el año 2007 se observaron profundidades entre 10 y 40 m para el nivel estático, con un flujo de agua subterránea de sur a norte. Se calculó un balance del agua subterránea obteniéndose que las entradas subterráneas son de 10.6 Mm³/año, la infiltración es de 165 Mm³/año, la extracción alcanza 97.7Mm³/año, las salidas subterráneas equivalen a 71.7Mm³/año, el cambio de almacenamiento es cero y la evapotranspiración es de 6.1 Mm³/año. En cuanto a calidad del agua se determinó que en los 65 pozos analizados químicamente, el sodio y los sólidos totales disueltos generalmente se encuentran por arriba del límite máximo permisible para agua de uso y consumo humano. También en varios pozos se detectaron arsénico, fluoruros y plomo en concentraciones que superan el límite máximo permisible. En treinta de los 75 pozos de agua potable analizados bacteriológicamente, se detectaron coliformes totales y en varios de ellos coliformes fecales.

Palabras clave: Mezquital, acuífero, balance, agua subterránea, contaminación, geoquímica.

 

ABSTRACT

A significant aspect of the Mezquital valley is that it receives approximately 50 m³/s of untreated wastewater from Mexico City. The sewage flows through drains such as the Gran Canal del Desagüe, Interceptor Poniente and the Emisor Central. This untreated wastewater is used for irrigation of approximately 45214 ha, and a portion infiltrates to the aquifer. 81% of the main channels and 52% of the lateral channels are unlined and therefore wastewater recharges directly the aquifer. Two previously undifferentiated aquifers were now detected by means of a hydrogeologic study in the Mezquital valley. Both, a shallow and a deep aquifers, may be interconnected in some points, and in others they may be isolated. As a result from the groundwater balance, it was determined that the main recharge to the Mezquital valley aquifer is the infiltration of untreated wastewater from Mexico City through channels and irrigation returns. Aquifer discharge occurs through springs that discharge into the Tula river. Another portion of the discharge is withdrawn by wells, and the remainder discharges to the north and northeast as surface water drained by the río Salado, and as groundwaterflow. During 2007 the static water level reached depths between 10 and 40 m with groundwaterflow from south to north. A groundwater balance was performed obtaining 10.6 Mm³/yr as groundwater recharge, 165 Mm³/yr as vertical infiltration to the aquifer, 97.7 Mm³/yr withdrawn by pumping, 71.7 Mm³/yr as groundwater discharge, zero for change in storage and 6.1 Mm³/yr as evapotranspiration. In terms of water quality, most of the 65 chemically analyzed wells were found with sodium and total dissolved solids concentrations above the maximum permissible limit in water for human consumption. In some wells, arsenic, fluoride, and lead have concentrations that exceed the permissible limit. In thirty out of 75 bacteriologically analyzed drinking water wells, total coliforms were detected and several had fecal coliforms.

Keywords: Mezquital, aquifer, balance, groundwater, contamination, geochemistry.

 

INTRODUCCIÓN

Originalmente, el valle del Mezquital era una zona semiárida. Hace casi un siglo las aguas residuales de la Ciudad de México empezaron a ser descargadas y utilizadas, sin tratar, para el riego del valle del Mezquital, provocando que parte de esta agua se infiltrara y recargara al acuífero, aspecto por el cual este valle ha sido estudiado ampliamente (Jiménez y Chávez, 2004; Friedel et al, 2000; Marín et al, 1998). La zona de estudio se localiza en la porción central–sur del estado de Hidalgo y en el límite con el estado de México. Geográficamente se encuentra entre los paralelos 19°30' y 20°22' de latitud norte y entre los meridianos 98°56' y 99°37' de longitud oeste (Figura 1).

Existen estudios que se han enfocado al grado de contaminación de los suelos del valle del Mezquital irrigados con las aguas residuales (Huerta et al., 2002; Reyes Solís et al., 2009). Cajuste et al. (1991) y Flores et al. (1997) estudiaron la absorción de metales por el subsuelo proveniente del agua residual descargada en el valle del Mezquital, encontrando contaminación por metales en sedimentos y plantas en las zonas irrigadas. En contraste, Friedel et al. (2000) y Ramirez–Fuentes et al. (2002) no detectan gran impacto de metales en muestras de sedimentos, sin embargo advierten que en 30 años más podrán existir problemas de contaminación de metales en plantas. Otros estudios han encontrado ya evidencias de contaminación en el agua subterránea (Marín et al., 1998). Gallegos et al. (1999) encontraron contaminación orgánica (nitratos y coliformes fecales y totales) en muestras de agua subterránea en el valle del Mezquital, especialmente en las muestras someras. Jiménez y Chávez (2004) detectaron que existe un evidente proceso de purificación del agua residual recargada y concluyen que los suelos del valle del Mezquital tienen la capacidad para tratar el agua residual y puede producir una calidad aceptable para consumo. Contrario a esto, Page et al. (2010) realizaron un estudio de riesgo microbiológico y concluyen que el riesgo de contaminación del acuífero es alto debido a la falta de un pretratamiento del agua residual recargada y al poco tiempo de residencia del agua descargada al acuífero. Otros estudios relativos a la contaminación en el acuífero del valle del Mezquital incluyen el estudio del riesgo a la exposición del agua subterránea contaminada (Downs et al., 1999). También se ha estudiado el impacto de la recarga de agua residual en la abundancia de esporas en los sedimentos contaminados (Ortega–Larrocea et al., 2001; Ortega–Larrocea et al., 2007) e incluso se ha estudiado la cantidad de metales en leche de vacas que se alimentan con pastura irrigada con las aguas residuales en el valle del Mezquital (Solis et al., 2009). Estudios recientes se han enfocado en la caracterización de compuestos farmacéuticos en los sedimentos y agua subterránea del acuífero del valle del Mezquital (Siemens et al., 2008; Daughton y Ruhoy, 2009). En la revisión de literatura citada anteriormente se detecta un debate acerca del impacto potencial de contaminación del acuífero proveniente de la recarga de agua residual. Por esta razón es necesario presentar una caracterización actualizada del funcionamiento geohidrológico del acuífero del valle del Mezquital. Por esto, los objetivos principales del presente estudio son:

1) Determinar el estado actual del acuífero en términos dinámicos y realizar un balance hídrico del mismo, con valores actualizados de entradas y salidas de agua del acuífero. Estudiar el efecto hidráulico de la recarga por retornos de riego e infiltración por canales, así como la importancia de su aportación al balance de agua del acuífero.

2) Determinar la calidad del agua del acuífero del valle del Mezquital y el efecto de la recarga de agua residual no tratada por medio de retornos de riego e infiltración de canales.

 

METODOLOGÍA

Se realizó una revisión de la hidrología superficial, geología y geohidrología de la zona con información de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) y de la Comisión Estatal de Agua y de Alcantarillado del Estado de Hidalgo (CEAAEH). Entre los estudios consultados se encuentran Ariel Consultores (1999), Comisión Hidrológica de la Cuenca del Valle de México (1967), Comisión Nacional del Agua (2002), Departamento de Geohidrología de la Comisión Federal de Electricidad (1996), Geocalli, S.A. (1981), Hidrotec, S.A. (1969), Organización Internacional de Energía Atómica (1975) y Pecten S.A. de C.V (1994). Esta revisión bibliográfica tuvo la finalidad de consolidar la información geológica existente en un solo marco conceptual, con énfasis en la definición de las formaciones que pueden dar origen a las zonas acuíferas. Se realizó en campo un censo de 456 aprovechamientos de agua subterránea del acuífero valle del Mezquital actualizado hasta el año de 2007, una nivelación de brocales de 51 pozos utilizados como piloto para piezometría (Figura 2) y 34 pruebas de bombeo (Kruseman y Ridder, 1994) que fueron interpretadas usando el programa Ground Water for Windows. Para caracterizar la calidad del agua del acuífero se realizaron análisis físico–químicos en 65 aprovechamientos, así como 75 análisis bacteriológicos en pozos de agua potable. Todas las muestras fueron analizadas en laboratorios acreditados por la Entidad Mexicana de Acreditación (EMA).

 

HIDROLOGÍA SUPERFICIAL

Un aspecto relevante de la zona de estudio es que la Ciudad de México drena sus aguas residuales hacia el valle del Mezquital a través de los llamados Gran Canal del Desagüe, Interceptor Poniente y Emisor Central. Los dos primeros cruzan la divisoria entre las cuencas de México y Mezquital a través de los túneles de Tequisquiac y el tajo de Nochistongo, para incorporarse a los ríos Salado y El Salto respectivamente (Figura 3). El río El Salto descarga en la presa Requena, de donde continúa como el río Tula circulando hacia el norte. Actualmente la zona recibe aproximadamente 50 m³/s de agua residual no tratada para el riego de alrededor de 45214 ha (CONAGUA, 1998). Ésta es distribuida para riego mediante los canales principales de El Salto–Tlamalco, canal de Fuerza, canal Dendhó, canal Endhó y canal Requena. El ochenta y uno porciento de los canales principales y el 52% de los canales laterales no se encuentran revestidos y el agua residual recarga directamente al acuífero (CONAGUA, 1998).

 

GEOLOGÍA

El valle del Mezquital es una planicie con ligera pendiente que desciende hacia el norte, limitada por elevaciones topográficas que son en su mayoría conos volcánicos y productos asociados. El valle está constituido por una alternancia de material piroclástico, lava y sedimentos lacustres conocidos como Formación Tarango del Paleógeno, que se encuentran cubiertos por una delgada capa de aluvión del Cuaternario. Las sierras que bordean el valle del Mezquital están formadas por rocas volcánicas, principalmente lava y en menor proporción toba del Paleógeno. La sierra al norte del valle del Mezquital y algunos puntos de Bomintzhá, están constituidos por sedimentos marinos calcáreos del Cretácico. Basados en INEGI (1983a), INEGI (1983b), SGM (1997), SGM (2002) y (Mooser et al., 1996), se formó la sección de la Figura 4 que ilustra los materiales que conforman el subsuelo.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Geohidrología

En el valle del Mezquital, el subsuelo se encuentra constituido por aluviones intercalados con sedimentos lacustres y coladas de basalto (Figura 4). Se llevaron a cabo 34 pruebas de bombeo (Kruseman y Ridder, 1994) que fueron interpretadas usando el programa Ground Water for Windows. La mayor parte presenta valores de transmisibilidad de alrededor de 0.5 x 10^–3 m²/s. Algunos pozos aislados ubicados junto a la presa Endhó, tienen transmisibilidades mayores de 100 x 10^–3 m²/s, por encontrarse en rocas basálticas (Figura 5). Con base en los datos del censo, se elaboró la configuración de la profundidad del nivel estático para el año 2007 (Figura 6), en la cual se observan curvas entre 10 y 40 m de profundidad. Respecto a la configuración de la elevación del nivel estático para el año 2007 (Figura 7), se presentan curvas de 2200 metros sobre el nivel del mar (msnm) al sur de Apaxco, las cuales disminuyen paulatinamente en dirección al norte hasta los 1980 msnm, a la altura de Santiago Acayutlán, indicando un flujo subterráneo de sur a norte. Mediante la piezometría se diferenciaron dos horizontes acuíferos. Uno con un nivel estático somero (7–8 m) y otro con nivel a mayor profundidad (40–50 m). Ejemplos de dichos horizontes acuíferos se pueden observar en los pozos MZ–47 y MZ–48, que tienen profundidades del nivel estático de 7 y 8 m respectivamente. Muy cerca de éstos, se encuentran los pozos MZ–58 y MZ–59 con profundidades de 42 y 51 m respectivamente, los cuales pertenecen al nivel del acuífero profundo (Figura 8). Una situación similar se encuentra en los pozos MZ–116 y MZ–443, que presentan valores someros, mientras que los pozos MZ–56 y MZ–57, muy cercanos a ellos, presentan valores del acuífero profundo. Lo mismo pasa para los pozos MZ–67 (nivel somero) y MZ–74 (nivel profundo). Muchos de los pozos atraviesan ambos horizontes acuíferos y presentan el nivel somero. Otras captaciones incluyen ademe liso y cementado en su parte superior, por lo que manifiestan exclusivamente el nivel del acuífero inferior o profundo. La recarga de estos horizontes acuíferos se lleva a cabo mediante flujo subterráneo procedente del sur y de infiltración sobre el valle del Mezquital, a partir de retornos de riego y pérdidas en canales. El agua subterránea fluye hacia el norte y descarga por drenado al río Tula y salidas subterráneas. Los grandes volúmenes utilizados para riego provocan que, en la parte norte del acuífero, el nivel se haya elevado sobre la superficie del terreno y provoque zonas de inundación que se desaguan a través de drenes artificiales.

Balance del acuífero

Se estableció la ecuación de balance volumétrico del acuífero, en la cual las entradas de agua subterráneas E menos las salidas S son iguales al cambio de almacenamiento ΔS. Las entradas E corresponden a la recarga por flujo subterráneo Es y a la infiltración Inf. Las salidas S se dividen en el flujo subterráneo que sale del sistema acuífero hacia al norte Ss, las pérdidas por evapotranspiración Evp y la extracción a través de pozos y descarga de manantiales dentro de la zona de balance Ext.

Se trazaron celdas para el cálculo del flujo subterráneo utilizando la configuración de la elevación del nivel estático. En cada una de las celdas se aplicó la Ley de Darcy (Fetter, 1994) para obtener la cantidad de agua que fluye a través de ellas, la cual es igual a: Q = TBi, donde T es la transmisibilidad (m²/s) (tomada de la Figura 5); B es el largo de las celdas (m); i es el gradiente hidráulico (adimensional) (tomada de la Figura 7). El volumen calculado de entrada por flujo subterráneo Es es de 10.593 Mm³/año. Las salidas subterráneas Ss se calcularon en 71.747 Mm³/año. Se calculó la extracción del agua subterránea a partir de los datos del censo de aprovechamientos realizado en este estudio. Se consideraron solo aquellos aprovechamientos (pozos, norias y manantiales) ubicados dentro de la zona de balance, la cual cubre una superficie de 287.2 km². La extracción calculada Ext ascendió a 97.7 Mm³/año. Se estimó, para efectos de cálculo, que el nivel estático no ha presentado cambios y por lo tanto se consideró un cambio de almacenamiento AS de cero. La evapotranspiración se calculó mediante dos métodos: el de Turc (1961) y el de Coutagne (Birkle et al., 1998). La fórmula de Turc es:

donde:

ETR = Evapotranspiración en mm/año; P = Precipitación en mm/año.

donde: T = Temperatura en °C

Para el caso del método de Coutagne:

Se utilizó una temperatura (t) de 17 °C y una precipitación de 546 mm/año. Para el caso de la fórmula de Turc, la evapotranspiración resultó en 495 mm y para el caso de Coutagne en 452 mm/año, por lo que se utilizó un valor promedio para la evapotranspiración de 473 mm/año. De acuerdo a los estudios de cálculo de la disponibilidad de agua subterránea de varios acuíferos (CONAGUA, 2009), cuando el nivel se encuentra a 5 m de profundidad, el efecto de evapotranspiración se reduce al 50% y cuando se encuentra cerca de la superficie es del 100%. En el área central–norte del valle del Mezquital, el nivel estático se encuentra entre 0 y 5 m, por lo que se consideró que la evapotranspiración corresponde al 75% del valor promedio obtenido, es decir 355 mm. El área donde el nivel estático se encuentra entre 0 y 5 metros de profundidad es de 17.2 km², que multiplicados por los 355 mm da un volumen de evapotranspiración Evp de 6.1 Mm³/año.

La infiltración Inf se dedujo de la ecuación de balance, donde:

Sustituyendo los valores ya determinados se obtiene una Inf = 165 Mm³/año.

Hidrogeoquímica y calidad del agua

Se realizaron análisis físico–químicos en 65 aprovechamientos (Figura 9). Los resultados fueron comparados con los límites permisibles (LP) para agua de uso y consumo humano, establecidos en la norma oficial NOM–127–SSA1–1994 (SSA, 2000), y se determinó que el Na y los sólidos totales disueltos (SDT) generalmente se encuentran por arriba del LP (Tabla 1). En relación a las determinaciones de elementos químicos, se detectó arsénico en siete aprovechamientos localizados al sur de Tlaxcoapan (Figura 9). La mitad de los sitios analizados presentan fluoruros por arriba de la norma, y respecto al plomo, la mayoría superan el límite máximo permisible. Los fosfatos y el boro también se presentan en concentraciones altas en muchas de las muestras (Tabla 2). Los STD en las muestras de agua analizadas se encuentran con concentraciones entre 196 y 300 mg/l de STD en el extremo sur del área de estudio (Figura 10). En el extremo norte, alrededor de Xochitlán, los aprovechamientos MZ–27 y MZ–31 presentan menos de 800 mg/l y los cuatro aprovechamientos restantes tienen entre 1060 y 1224 mg/l. En la parte central del valle del Mezquital, la mayor parte de los aprovechamientos analizados presentan poco más de 1000 mg/l de STD y únicamente el pozo MZ–103 presentó una concentración de 4052 mg/l. En la parte sur del valle, las concentraciones varían entre 2044 y 2812 mg/l de STD. En este trabajo también se determinó el boro en el agua de la zona estudiada debido a que el origen del agua de riego son aguas residuales y éstas tienden a contener boro. Lucho et al. (2005) estudiaron el fenómeno del fraccionamiento isotópico del boro en los sedimentos del valle del Mezquital, ya que estos sedimentos presentan contaminación con agua residual. En la zona de Jilotepec–Taxhimay las concentraciones de boro son del orden de 0.035 mg/l. En el valle del Mezquital se encuentran concentraciones relativamente altas, entre 0.880 y 2.067 mg/l en la zona entre Tula y Teocalco. También se detectaron valores entre 1.250 y 2.039 mg/l al sur de Tlaxcoapan y concentraciones de 1.019 a 2.206 mg/l al noroeste de Apaxco (Tabla 2). De los setenta y cinco análisis bacteriológicos hechos en pozos de agua potable, 25 reciben cloración (Figura 9). De la totalidad de análisis, 30 pozos (40%) presentaron coliformes totales, y también en 8 de ellos a pesar de que reciben cloración (Tabla 3, Figura 11); en varias de estas captaciones también se encuentran coliformes fecales (Tabla 3). Estas bacterias deberían de estar ausentes en el agua de uso y consumo humano de acuerdo a la normatividad vigente.

Se clasificó el agua subterránea de acuerdo a su composición química tomando en cuenta los principales aniones y cationes en solución. Para ello se utilizaron diagramas de Piper (Figura 12). Se encontraron tres principales tipos o familias de agua: 1) Agua del tipo sódico–mixta, que se encuentra en los aprovechamientos al poniente de Tlahuelilpan y Teocalco. 2) Familia mixta–sulfatada, que se presenta en varios pozos de la parte sur del valle de Mezquital y que están relacionados con sedimentos evaporíticos del tipo de yesos y anhidritas. 3) Familia mixta–bicarbonatada, que corresponde a agua de lluvia de reciente infiltración y la cual se presenta en pozos y manantiales del poniente del valle del Mezquital, así como en la zona de Jilotepec y San Luis Taxhimay. Las aguas mixtas son aquellas en las cuales no predomina ningún ión (anión o catión) en especial.

Debido a la contaminación directa por el agua de los canales, una recomendación general (que ya se lleva a cabo en muchos casos) es que los pozos de agua potable tengan ademe liso cementado en su porción superior, lo que se denomina en perforación "ademe sanitario" y que en esta zona debe de ser de alrededor de 50 m. Los pozos públicos de agua potable de esta zona presentan ademe sanitario y tienen una profundidad que alcanza el acuífero profundo, lo cual evita la contaminación directa por las aguas superficiales.

 

CONCLUSIONES

La Ciudad de México drena sus aguas residuales hacia el valle del Mezquital a través de los llamados Gran Canal del Desagüe, Interceptor Poniente y Emisor Central. Este valle recibe aproximadamente 50 m³/s de agua residual no tratada para el riego de alrededor de 45214 ha. Se determinó que el 81% de los canales principales y el 52% de los canales laterales no se encuentran revestidos y parte del agua residual que conducen, recarga directamente al acuífero. Actualmente la principal entrada de agua al acuífero del valle del Mezquital corresponde a la infiltración a través de canales y retornos de riego (de aguas residuales sin tratar provenientes de la Ciudad de México).

Con base en la piezometría realizada en este estudio, se diferenciaron dos acuíferos. Uno somero, que está representado en la mayor parte de los pozos existentes, con valores de profundidad del nivel estático de alrededor de 10 m. Otro denominado profundo por encontrarse su nivel estático 40 m más profundo. Se estableció que el flujo de agua subterránea va de sur a norte. Las salidas de agua del acuífero se llevan a cabo a través de manantiales que descargan al río Tula, otra parte es extraída por pozos y el resto descarga hacia el norte y noreste, tanto en forma superficial como subterránea. La evolución del nivel estático indica que el cambio de almacenamiento del acuífero es prácticamente cero.

Se realizó un balance del agua subterránea para el año 2007 de una porción del valle (donde existen datos del acuífero), encontrando que las entradas subterráneas son de 10.6 Mm³/año, la infiltración es de 165 Mm³/año, la extracción es de 97.7 Mm³/año, las salidas subterráneas equivalen a 71.7 Mm³/año, el cambio de almacenamiento es cero y la evapotranspiración es de 6.1 Mm³/año. En el área de balance se obtuvo una infiltración por lluvia de 15.8 Mm³/año, retornos de riego de 69 Mm³/año y una infiltración por canales de 80.2 Mm³/año.

En cuanto a la calidad del agua, se determinó que el Na y los SDT generalmente se encuentran por arriba del límite máximo permisible. Se detectó arsénico en siete aprovechamientos localizados al sur de Tlaxcoapan, la mitad de los sitios analizados presentan fluoruros por arriba de la norma y la mayoría superan el límite de la norma respecto al plomo. Los fosfatos y el boro también se presentan en concentraciones altas en muchas de las muestras. De setenta y cinco análisis bacteriológicos hechos en pozos de agua potable, 30 de ellos presentaron coliformes totales y en varios de estos pozos también se encontraron coliformes fecales.

 

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