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La ciencia detrás de la explotación de acuíferos: Recurso indispensable en la toma de decisiones

Dra. Graciela Herrera Zamarrón del Instituto de Geofísica de la UNAM. Foto: Elvia Moreno Posadas

23-04-2012

Por Denisse Flores e Isui Aguilar, DGDC-UNAM



Dentro de un par de décadas, cerca de 5 mil millones de personas (el 60% de la población mundial) vivirán en ciudades, lo que obligará a todo el orbe a enfrentar grandes desafíos relacionados con el suministro del agua, según estima la Organización de las Naciones Unidas (ONU). Este organismo calcula que cada año, 80 millones de personas se suman a la población mundial, lo que provoca un incremento en la demanda de agua potable, especialmente en regiones que ya enfrentan escasez, o que no tienen acceso a este líquido.

En México, el agua subterránea cubre hasta el 75% de la demanda en zonas urbanas. Esta se extrae de algunas formaciones geológicas que tienen la capacidad de almacenar y conducir el líquido, conocidas como acuíferos.

Desde hace cerca de 20 años, la doctora Graciela Herrera Zamarrón trabaja con modelos de cuerpos de agua subterránea. Después de realizar su doctorado en la Universidad de Vermont, la Dra. Herrera se incorporó al Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), donde laboró durante 10 años. Actualmente, es investigadora del Instituto de Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). En entrevista, nos habla de su trabajo y de la importancia de conocer el comportamiento de los acuíferos, para hacer un uso racional de estos.

La explotación de los acuíferos. El caso del Valle de México

De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO, por sus siglas en inglés), se calcula que 30% del agua dulce de la Tierra se encuentra contenido en acuíferos: 100 veces más que la que se encuentra en ríos y lagos. En nuestro país, el 16% de los acuíferos tiene problemas de sobreexplotación, lo que afecta la calidad del líquido y su disponibilidad a futuro.

Doctora Herrera, ¿cuál es la estructura que tiene un acuífero?
Cuando nos referimos a los acuíferos, estamos hablando de un depósito de agua que circula en el subsuelo. Con frecuencia, la gente imagina que los acuíferos son muy parecidos a las albercas, pero la mayoría no son así.

El agua de los acuíferos circula por un medio con poros relativamente pequeños, aunque existen excepciones, como los acuíferos de Yucatán, que tienen cavidades muy grandes (donde hay incluso ríos subterráneos).

¿Y en el caso de la Zona Metropolitana de la ciudad de México?
En comparación con otros acuíferos de México, el de la Zona Metropolitana está muy bien estudiado. En realidad no se trata de un solo cuerpo de agua, sino que es un sistema acuífero. Es decir, en el subsuelo de esta zona existen varios acuíferos que se encuentran a distintas profundidades. Esquemáticamente, se pueden representar como unidades superpuestas, aunque algunas de ellas pueden no estar presentes en toda el área que abarca el sistema acuífero, como es el caso del acuitardo superior.

A la unidad más superficial que contiene agua se le llama acuitardo superior, y está formado por arcillas con baja conductividad hidráulica, o capacidad para conducir agua. Un acuitardo es capaz de almacenar agua, pero no de conducirla horizontalmente y, dependiendo de las condiciones, puede ceder o absorber agua en forma vertical.

En el caso de la ciudad de México, el acuitardo superior almacena agua y, en la actualidad, la cede al acuífero que está debajo, llamado acuífero superior; este es muy importante, porque de ahí se extrae el agua que utilizamos en la ciudad.

Es necesario remarcar que el medio poroso del acuífero superior no es homogéneo. Existe una parte que tiene material aluvial, como arenas y gravas, y otra que tiene material volcánico, el cual está fracturado, por lo que también conduce agua. Abajo del acuífero superior, existe un acuitardo inferior y un acuífero inferior, pero estos no han sido tan estudiados como los que suministran agua a la ciudad de México.

¿De dónde proviene toda esta agua?
En el caso del acuífero de la ciudad de México, la mayor parte de la recarga de agua proviene de las sierras que lo limitan: Guadalupe, Las Cruces, Chichinautzin y Santa Catarina. Los balances que hemos hecho constatan que cerca del 95% proviene del agua que se infiltra en las sierras y, en menor proporción, del acuitardo superior. Es importante mencionar que el hundimiento de la ciudad se debe en cierta medida a la transferencia de agua del acuitardo superior, al acuífero superior.

¿Es sustentable la explotación del acuífero de la Zona Metropolitana de la ciudad de México?
En un análisis que realizó la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) en el 2009 sobre el balance anual entre la cantidad de agua que se extrae, y la cantidad que ingresa en el acuífero, se reportó una recarga aproximada de 500 millones de metros cúbicos, contra una extracción aproximada de 600 millones de metros cúbicos. Esto es una diferencia de cerca de 100 millones de metros cúbicos.

El acuífero de la Zona Metropolitana tiene una veda porque se considera sobreexplotado. Por esta razón, la CONAGUA restringe las concesiones para perforar pozos nuevos en este acuífero, por lo que los volúmenes de extracción concesionados se mantienen prácticamente constantes. Sin embargo, también existen pozos que son clandestinos y, por desgracia, el volumen que se extrae de estos es una incógnita. 

En resumen, las políticas actuales de explotación del acuífero de la Zona Metropolitana de la ciudad de México no son sustentables.

¿Cómo afecta la sobrepoblación al acuífero de la Zona Metropolitana de la ciudad de México?
El crecimiento de la ciudad afecta la cantidad de agua que puede infiltrarse al acuífero, pues la cantidad de agua que queda para la recarga, disminuye conforme crece la ciudad. En el presente, las principales áreas de recarga son las sierras que circundan a la Zona Metropolitana del valle de México. La recarga que se da desde la zona urbanizada es mínima.

¿Ha cambiado la dinámica de los acuíferos del Valle con la sobreexplotación?
En la época prehispánica, el valle de México tenía lagos y manantiales. Los niveles del agua en el acuífero eran someros y, cuando se empezaron a perforar pozos, en el siglo XIX, en algunas zonas el agua subía por arriba del nivel del límite del acuífero e, incluso, arriba del nivel del suelo, porque el agua estaba bajo presión y brotaba naturalmente. Sin embargo, esta dinámica ha cambiado, el nivel del agua ha bajado y un gran número de manantiales se han secado. Hoy día, si se perfora un pozo, es necesario excavar, en promedio, 62 m por debajo del suelo para llegar al agua.

Esta baja en la presión y en el nivel del agua subterránea, ¿qué consecuencias tiene en la calidad del agua?
Por lo general, en zonas más profundas la calidad del agua es menor, y no es la excepción en el acuífero de la Zona Metropolitana de la ciudad de México, pero además, en este hay que considerar la presencia de las arcillas.

La calidad del agua que estas contienen no es tan buena como la del acuífero principal. Ahora bien, cuando la presión del agua en el acuífero es alta, el mismo acuífero puede estar alimentando a las arcillas: la presión del agua hace que esta pase del acuífero a la zona de arcillas. Pero cuando por falta de agua baja la presión del acuífero, el agua de baja calidad contenida en las arcillas se filtra al acuífero. Este efecto en el cambio de la presión del acuífero, por falta de agua, hace que la calidad del líquido del acuífero disminuya.

Acuíferos virtuales

Los modelos matemáticos permiten integrar en un conjunto de ecuaciones, los conocimientos científicos que ya se tienen, sea de un sistema acuífero, biológico o climático, con los datos que se obtienen de un hecho concreto ocurrido en tal sistema.

Los cálculos matemáticos que se necesitan para hacer un modelo de dichos sistemas, que permita a los científicos comprender cuán complejos son, requiere del uso de computadoras. Con la información que se recolecta de un acuífer, se crean representaciones computacionales que nos ayudan a tomar mejores decisiones, siempre y cuando sepamos aprovechar la información que estos modelos nos dan.

Doctora Herrera, ¿cómo es posible saber lo que pasa debajo de la tierra?
La caracterización de los ríos es relativamente sencilla, porque podemos observarlos directamente. En contraste, la caracterización de los acuíferos es problemática, porque no los observamos directamente. Por ello, gran parte de la información que obtenemos de los acuíferos se produce por métodos indirectos.

Por ejemplo, se emplean métodos geofísicos que producen datos tomados generalmente en la superficie del terreno, y que permiten inferir algunas características geológicas de los acuíferos. Para medir la conductividad hidráulica (la capacidad de los materiales porosos para conducir el agua), hacemos pruebas de bombeo, que consisten en se extraer agua del acuífero a través de un pozo, y observar el descenso en el nivel del agua en pozos cercanos.

Otro aspecto muy importante a caracterizar es el nivel del agua, porque habla de la cantidad de líquido que se tiene en el acuífero. Si se combina esta información con la conductividad hidráulica, se puede conocer cómo fluye el agua dentro del acuífero.

Sin embargo, el que no podamos observar directamente la dinámica del acuífero, nos obliga a considerar un rango de incertidumbre en los datos que obtenemos.

Una vez que se tienen estos datos, ¿cómo se combinan para generar una herramienta que permita hacer predicciones sobre el acuífero?
En un modelo se conjuntan ciertos conocimientos científicos con los datos que se obtienen de un hecho concreto; en el caso del estudio de un acuífero, en un modelo matemático se resumen las leyes que cumple el movimiento del agua subterránea y el conocimiento de la geología (el conocimiento científico ya establecido), con las propiedades hidráulicas de un sistema acuífero (los datos que obtenemos al estudiar un acuífero específico).

En casos muy sencillos es posible describir lo que sucederá en cualquier punto del acuífero y en cualquier instante con ayuda de un modelo matemático. Pero para aplicaciones reales, casi siempre se utilizan métodos numéricos, que requieren la ayuda de computadoras. Para crear estos modelos se discretiza la información. Esto significa que lo que se va a estudiar, se divide en pequeñas porciones para que pueda abordarse mejor.

La zona de estudio total del acuífero se analiza como si tuviera divisiones, como si la dividiera una malla. De esta manera, se pueden obtener datos en ciertos puntos de la malla, es decir, se obtiene información de un lugar y un momento muy concreto del acuífero.

Para hacer un modelo de un acuífero, primero se debe definir en una malla el límite de la zona a estudiar. Después se deben establecer las condiciones de frontera (la interacción que el acuífero tiene con el área que circunda los límites establecidos). También se representan los pozos de extracción y se establece una condición inicial, es decir, el estado que tiene el acuífero cuando se empieza la modelación.

Dentro del modelo también se introducen los valores de las propiedades hidráulicas que tienen las diferentes capas geológicas de la zona del acuífero. Se construye el modelo con todos los datos, y se evalúan los resultados arrojados por el modelo.

En el caso del acuífero de la ciudad de México, si decidimos hacer un modelo que abarque hasta el pie de las sierras, debemos describir cuál es la interacción del agua en el acuífero con las montañas, cuáles son las características de los diferentes componentes geológicos del sistema y, si se empieza en la época prehispánica, es necesario introducir datos que reflejen la existencia de lagos y manantiales.

Lo que se obtiene con todo este conjunto de conocimientos y datos son los valores del nivel del agua del acuífero sobre toda la malla. Este es el modelo computacional del acuífero, una representación virtual hecha sobre cálculos computacionales.

Posteriormente, el modelo del acuífero se compara con las mediciones hechas en los pozos, es decir, se compara con lo que se observa en la realidad. Generalmente, lo virtual y lo real no coinciden en las primeras comparaciones. Para que el modelo virtual refleje el problema real es necesario calibrarlo.

Para hacerlo, se ajusta el valor de algunos de los parámetros que describen las propiedades del sistema virtual, tomando en cuenta el conocimiento científico que se tiene. Se vuelve a hacer una modelación, y se repite el proceso hasta que el resultado se parezca a los datos de la realidad. Una vez calibrado el modelo, solo será confiable por un periodo de tiempo limitado, o hasta que cambien las condiciones de la zona bajo estudio.

Una de las bondades de estos modelos es que permiten hacer predicciones, es decir, proponer diferentes políticas de manejo del acuífero y evaluar las consecuencias de cada una para compararlas y decir cuál es la mejor.

¿Se mantienen actualizados los modelos que se utilizan en el presente para conocer nuestros acuíferos?
Si bien la CONAGUA y los organismos operadores gastan recursos para construir los modelos, en la mayoría de los casos no tienen las condiciones por falta de personal especializado para mantenerlos actualizados, por lo que sus modelos generalmente no están listos para ayudar en la toma de decisiones cuando hay una emergencia. Pienso que las universidades son un espacio adecuado para mantener la actualización de los modelos, al menos, para los acuíferos más importantes. Espacios como la UNAM, en colaboración con los organismos operadores, tienen mejores condiciones para realizar esta labor.

¿Qué tan cercanos a la realidad son los datos que nos dan los modelos?
Podemos tener modelos que son muy confiables, pero siempre existe cierto grado de incertidumbre. En los modelos con que trabajamos consideramos la incertidumbre que tienen algunas variables, como por ejemplo las conductividades hidráulicas, las condiciones de frontera y las condiciones iniciales. Esta incertidumbre la representamos usando un modelo estocástico. Este tipo de modelos no dan un solo valor como resultado, sino un rango de valores y esto nos permite obtener estimaciones de las variables y su nivel de incertidumbre. Cuando comparamos los datos reales con la estimación que obtenemos, podemos ver si estos datos reales están dentro del rango de incertidumbre de nuestro modelo.

¿Cuál es la utilidad de estos modelos de acuíferos?
Los modelos son herramientas que permiten ver como cambiaría el proceso físico bajo diferentes políticas de administración del agua. Los modelos son, si no el único medio que tenemos para predecir el comportamiento de los fenómenos, sí el más efectivo. Con un modelo se puede proponer una modificación en la explotación del acuífero.

Sin embargo, las decisiones no se basan exclusivamente en las soluciones que nos dan los modelos, pues también se deben considerar las cuestiones prácticas y políticas. Hay situaciones en las que el recurso lo comparten varios usuarios, por lo que casi siempre es necesario ponerse de acuerdo, y un modelo también puede ser una herramienta para llegar a consensos.

¿Qué tanto se usan los modelos en la toma de decisiones?
A nivel mundial, se usan mucho este tipo de modelos para tomar decisiones. Hay muchos países que fundamentan sus políticas en los modelos. En Estados Unidos, por ejemplo, no es raro ver que se usen este tipo de modelos para decidir qué hacer con respecto a la gestión del agua. Un ejemplo interesante es Venecia, que tiene problemas muy importantes de hundimiento del terreno e inundaciones. Ahí se utilizaron este tipo de modelos, para conocer las opciones que tenían y evitar así más problemas. Los modelos también se utilizan a nivel nacional, pero no tanto como sería deseable.

Cuando hay problemas de contaminación, los modelos de acuíferos se pueden usar para evaluar los daños, o para determinar quiénes contribuyeron al problema.  Los resultados de modelos pueden sugerir soluciones técnicas, pero, en su estado actual no pueden incluir la parte social. Sin embargo, en un conflicto social por el agua subterránea, las partes involucradas pueden obtener información de los modelos, ya que les permiten evaluar los efectos que sobre un acuífero tendrían las opciones para resolver dicha disputa. La solución de estos conflictos debe ser un proceso dinámico, de manera que se lleguen a soluciones intermedias, aceptables para el medio ambiente y para las personas involucradas, y en este proceso un modelo del agua subterránea puede ser una herramienta muy valiosa.

Doctora Herrera, ¿podría platicarnos sobre el trabajo que realizó en el IMTA?
Ingresé al IMTA en 1998. Durante mi estancia en este instituto, trabajé en 12 proyectos relacionados con estudios hidrogeológicos de modelación y diseño óptimo de redes de monitoreo de aguas subterráneas. Por ejemplo, en el año 2000, evaluamos el impacto de la construcción de una presa en los niveles de agua del acuífero del valle de Querétaro. También realizamos dos estudios para el Sistema de Aguas de la Ciudad de México (SACM), con el fin de evaluar la disponibilidad de este líquido y modelar matemáticamente el acuífero de la Zona Metropolitana de la ciudad de México. En otro trabajo evaluamos si habían efectos en el acuífero de Cuatro Ciénegas, debido a la extracción de agua del acuífero El Hundido.

¿Qué proyectos desarrolla en la UNAM?
En el 2008, llegué al Instituto de Geofísica de la UNAM y continué trabajando con aguas subterráneas; también empecé a trabajar en la modelación de problemas relacionados con el petróleo.

Actualmente, estoy participando en proyectos de diseño óptimo de redes de monitoreo del agua subterránea. Entre otras cosas, estamos probando una metodología para los acuíferos de la Zona Metropolitana de la ciudad de México, Texcoco y Chalco. También estoy participando en dos proyectos de SENER-CONACYT en los que se están desarrollando simuladores para la recuperación mejorada del petróleo.

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