SERVICIOS AMBIENTALES SUSTENTO DE LA VIDA

Zonas de recarga al agua subterránea y servicios ambientales bi t l hidrológicos: hid ló i retos, t procesos y consecuencias

j joel carrillo rivera [email protected] Instituto Nacional de Ecología, 31 de julio del 2009

Zonas de recarga al agua subterránea y servicios ambientales  hidrológicos: retos, procesos y consecuencias hidrológicos: retos procesos y consecuencias

ÍNDICE 1.- Introducción (importancia de los sistemas de flujo de agua 1.subterránea, procesos involucrados en zonas de recarga y descarga) 2.-- PSAH en el sur de la Cuenca de México (zonas de recarga) 2. 3.- El PSAH y la incorporación indirecta de zonas de descarga 3.(Xochimilco ( y Cuatrocienegas) g ) 4.-- Conclusiones 4.

SERVICIOS AMBIENTALES

1.-- Introducción 1.

(Condiciones y procesos a través de los cuales ecosistemas naturales y especies relacionadas ppermiten la vida humana bajo j una interacción sostenible)) AMBIENTE / ECOSISTEMAS Reducción de: Pobreza Deforestación SERVICIOS AMBIENTALES (ECOSISTÉMICOS)

CONSERVACIÓN

DUEÑO DE LA TIERRA Ejidos

• • • •

Captura de Carbono Hidrológico Biodiversidad Belleza Escénica

PAGO POR SERVICIO AMBIENTAL HIDROLÓGICO Fondo Forestal Mexicano

USUARIO

PSAH (Mé (México, 2003) OBJETIVO Proteger la capacidad de provisión de servicios ambientales hidrológicos META del PROGRAMA Estimular habitantes en montañas a preservar su cubierta forestal (mantener su potencial de recarga) a través de un pago anual a dueños de sitios seleccionados con cubierta. Los ecosistemas se incorporan indirectamente. HIPOTESIS del PROGRAMA PROGRAMA La presencia de cubierta forestal contribuye a regular el ciclo hidrológico al incrementar la recarga (los ecosistemas no son incluidos directamente, las zonas de descarga son irrelevantes). LIMITACIONES del PROGRAMA La hipótesis necesita ser comprobada científicamente. científicamente La aplicación del programa requiere del soporte de estudios hidrogeológicos que identifiquen: • Zonas de recarga • Posible recorrido del flujo subterráneo • Procesos y probables impactos al agua subterránea a ecosistemas y otras componentes del ambiente (resultantes de la investigación).

PSAH ¿Por qué es importante conocer el  funcionamiento del flujo subterráneo? funcionamiento del flujo subterráneo?

Flujo local Flujo intermedio

Roca basamento

Flujo regional

Zona de pago por servicio ambiental hidrológico

PSAH ¿Por qué es importante conocer el  funcionamiento del flujo subterráneo? funcionamiento del flujo subterráneo?

Zona de pago por servicio ambiental hidrológico

DEFINICIÓN DE ZONAS DE RECARGA ISÓTOPOS

RADIACTIVOS

Distancia de recorrido del flujo

ESTABLES

Altitud de la recarga

Verificación f ó de resultados: tipos de roca, suelo y vegetación; ó geoquímica í del agua.

Es deseable tener datos de δ18O y δD en la lluvia por 20 años Elevación de lluvia (recarga)

Geotermómetros Manantial

El conocimiento de litología g y estructura g geológica, g apoya a definir el recorrido realizado Distancia recorrida desde la recarga (tiempo de residencia)

Se requieren datos isotópicos de 14C, C 13C, C ttritio iti Características hidráulicas (K, S, n)

(δ18O = 0, δ2H = 0)

Relación del δ18O (y δH) con la altitud de la precipitación

Elevació ón (m snm)

3000 2500 2000 1500

Datos de manantiales Valle de Bravo

1000 500 0 -11.0

-10.0

-9.0

-8.0

-7.0

18

δ O

Al SW de cuenca de México 1º/ºº δ18O por 0.5 km altitud (-10.7 10 7 º//ºº a 3 3.5 5 km)

3000 Elevación (m m snm)

Valle de Bravo carece de relación elevaciónelevación-isótopos en lluvia

2500 2000 1500 1000 500 0 -70

-65

-60 18

δ D

-55

-5

ZONAS DE RECARGA

ANALISIS del TIPO de SUELO ENFOCADO a APOYAR la DEFINICIÓN de ZONAS de RECARGA y DESCARGA

NIVEL FREÁTICO PROFUNDO

Suelos débilmente desarrollados Suelo ácido Bajo contenido en sales y/o sodio

ZONAS DE DESCARGA

NIVEL FREÁTICO SOMERO

Condiciones Hidromórficas Moteados y concreciones de Fe & Mn Colores Gley Alta salinidad y/o contenido de sodio en superficie

Ll, 11 – 23 ug/l Cl, 5 mg/l 18 oC 3000

A

81-51 pmc 81MODERN

(M a s l)

2500

Li, 1550 Ug/l Cl, 650 mg/l °T, 44 °C

A Li 130 – 318 Ug/l Li, Cl, 27 – 170 mg/l °T 21 – 27 °C Li, 74 – 130 ug/l Cl, 36 – 82 mg/l °T 23 – 24 °C 12--2 pmc 12 > 6,000 años

A´

2000 1500

0

1000 500 0

Litología

?

1. 2 2. 3. 4. 5.

2

3

4

Caliza Cretácica Basalto & riolita, riolita Terciario Medio Sed Lacustres & piroclastos Plioceno Inf Basalto-andesitas Plioceno/Cuaternario/Reciente aluvial (acuitardo)

5

Flujo Local Flujo Intermedio Flujo Regional Inducido Flujo Regional Profundo

25 2.5

5k

Zonas Potenciales de recarga, Cuenca de México

g 2600000

2700000

2800000

2900000

3000000

3100000 90000

900000

dh/dl = 0 0.00159 00159 80000

800000

K ≈ 0.000004 m/s n ≈ 0.01

700000

70000

600000

60000

500000

50000

400000

40000 2600000

2700000

2800000

2900000

3000000

Velocidad de movimiento del flujo ≈20-25 m/y

Distancia mínima para ≈6,000 años ≈120 120-150 150 km

3100000

Carrillo-Rivera, Cardona A y WM Edmunds, 2007. ”Groundwater flow functioning in arid zones with thick volcanic aquifer units: north-central Mexico”. International Symposium on Advances in Isotope Hydrology and its Role in Sustainable Water Resources Management (HIS-OIEA) Proc. Vol. 1, 199-211. 21- 25 May 2007, Vienna, Austria

2.- PSAH en el sur de la Cuenca de 2.México (zonas de recarga)

ANALISIS DEL TIPO DE SUELO

ZONAS DE RECARGA/DESCARGA Y RELACION CON TIPO DE SUELO (ESCALA REGIONAL)

ZONAS RECARGA

ZONAS DESCARGA

TOMA DE MUESTRAS DE AGUA (pozos y manantiales para análisis fisicó-químico e isotópico)

INTERPRETACIÓN HIDROGEOQUÍMICA

GROUP

T ((ºC) C)

Na (mg/l)

HCO3 (mg/l)

SO4 (mg/l)

Cl (mg/l)

Li (mg/l)

1 – Local

9.5-17.0

3.0-11.2

9.8-92.7

1.0-7.2

0.5 - 1.9

0.015 - 0.089

2 – Mezcla

17.7-19.1

16.1-29.2

136.6-402.6

4.0-54.2

4.9 - 12.4

0.004 - 0.027

3 - Intermedio

19.9-23.7

42.2-120.0

305-610

2.8-25.9

4.8 - 37.9

0.002 - 0.020

INTERPRETACIÓN HIDROGEOQUÍMICA

ATOTONILKO 3 Alto Li, Ca, Sr Bajo F16 JUSTINA 2 Alto Li, Li Sr, Sr PO4 221 TLALANCALEK Alto Fj Li,, Sr Bajo

ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA MÍNIMA DE EQUILIBRIO USÁNDO GEOTERMÓMETROS ÍNDICE DE MADUREZ

NOTA: Usado para muestras de grupo 1 y 3 ya que el grupo 2 es mexcla

GEOTERMÓMETRO CALCEDONIA

MUESTRA

MI

16 Justina 2

1.161

237 Panotla (2)

0.552

Nativitas (3)

0.753

208 Tetla

0.821

221 Tlalancalek

0.922

DAM TEX 3

0.517

230 M Tlal 2

0.578

265 Salvador V3

0.528

214 El Salto

0.477

22 Cuahutemoc

0.520

18 Guadalupe 2

0.728

Atotonilko 3

0.603

MONTEALEGRE 01

0.317

MONTEALEGRE 02

0.398

MONTEALEGRE 03

0.430

MI < 2

Temperatura Mínima de equilibrio

+

Gradiente Geotérmico (3ºC/100 (3 C/100 m)

Mínima profundidad a la que llegó el agua Geothermómetro de Na/K/Mg

T (ºC) env

T (ºC) calc

Diferencia T (ºC)

Prof (m) calculada

16 Justina 2

18

95

77

2,567

Nativitas (3)

18

89

71

2 367 2,367

221 Tlalancalek

18

93

75

2,500

230 M Tlal 2

20

74

54

1,800

265 Salvador V3

20

69

49

1,633

214 El Salto

20

61

41

1,367

22 Cuahutemoc

11

61

50

1,667

Atotonilko 3

19

111

92

3,067

MUESTRA

δ18O y δ2H PARA MUESTRAS DE AGUA EN LA LMWL-GMWL

LMWL

La muestra Montealegre no es representativa de un flujo de agua subterránea local estable

24

3

EVL 1

4

EVL 2

20

MAL 1 MAL 2

GMWL

NOTA: MUESTRAS INCORPORADAS: 22 Cuahutemoc = 265 Salvador V3 221 Tlalancalek = Nativitas 3 18 Guadalupe 3 = 230 M Tlal 2

ESTIMACIÓN DE RELACIÓN PRECIPITACION-ALTITUD PRECIPITACION ALTITUD EFECTO ISOTÓPICO DE ALTITUD EN LA PRECIPITACIÓN

POSIBLE ELEVACIÓN DE LA RECARGA PARA MUESTRAS NO AFECTADAS POR EVAPORACIÓN

δ18O (‰ vss Vienna-smow)

δ18O*= O* δ18O

δ18O O*

= -2.13 2.13 Z – 3.2

Elevación Topográfica (km asl) Cortés y Durazo, 2001

SAMPLE

δ18O *

Z (km amsl)

214 EL SALTO

-11.7

4.0

265 SALVADOR V3

-11.7

4.0

MONTEALEGRE 1

-10.8

3.6

MONTEALEGRE 3

-10.6

3.5

230 M TLAL 2

-10.7

3.5

208 TETLA

-10.9

3.6

18 GUADALUPE 2

-10.7

3.5

ATOTONILKO 3

-10.2

3.3

22 CUAHUTEMOC

-11.7

4.0

RELACIÓN PRECIPITACIÓN-ALTITUD Posible elevación de zonas de recarga, muestras no afectadas por evaporación

ESTIMACIÓN DEL EFECTO DE PRECIPITACION-ALTITUD PRECIPITACION ALTITUD PARA MUESTRAS AFECTADAS POR EVAPORACIÓN

4,000

3,500

3,000

2,500

masl

LMWL δ2H*=7.95 δ18O*+11.77

δ18O* = -2.13 Z – 3.2 Efecto isotópico por altitud de la precipitación

m = (δ2H – δ2H*) / (δ18O – δ18O*) EVL δ2H=5.1 δ18O-21.12

δ2H*, δ18O*

GMWL: δ2H*=8 δ18O*+10

GMWL δ2H*=8 δ18O*+10

δ18O O*= (δ2H H- m δ18O - 10)/(8 - m)

ESTIMACIÓN DE ALTITUD DE LA PRECIPITACION (RECARGA) PARA MUESTRAS AFECTADAS POR EVAPORACIÓN LMG MUESTRA

(δ

18O)

(δ 2H)

m

δ 18O* ((inferido))

Z (km amsl)

16 Justina 2

-9.7

-70

5.102

-10.611

3.5

237 Panotla 2

-8.8

-65

5.102

-10.447

3.4

Nativitas 3

-9.9

-72

5.102

-10.970

3.6

221 Tlalancalek

-9.9

-72

5.102

-11.042

3.7

Dam Tex 3

-9.5

-71

5.102

-11.349

3.8

4 (Edmunds et al)

-9.9

-71

5.102

-10.521

3.4

24 (Edmunds et al)

-10.1

-72

5.102

-10.514

3.4

3 ((Edmunds et al))

-10.2

-75

5.014

-11.339

3.8

20 (Edmunds et al)

-10.3

-76

5.014

-11.506

3.9

ALTITUD-PRECIPITACION (RECARGA) ESTIMADA DE MUESTRAS AFECTADAS POR EVAPORACIÓN

RESULTADOS DEL ANÁLISIS INTERDISCIPLINARIO

Sección hidrogeológica esquemática; incluye vegetación y rangos de altitud de la precipitación responsable de la recarga (zonas posibles de recarga) para flujos local e intermedio

3.-- El PSAH y la incorporación indirecta de zonas de descarga, Xochimilco. 3.

i) Xochimilco, hundimiento del suelo (consolidación) por desconocimiento de procesos de respuesta a la extracción de agua subterránea

Localidad

Subsidencia (m)

Área afectada (km2)

Central Valle, CA

9.0

13,500

Houston TX Houston,

2 75 2.75

12 170 12,170

Eloy, AZ

3.6

8,700

Tokyo, Japón

4.6

2,400

Planicie del Po, Italia

3.0

780

Londres

0.35

450

Venicia, Italia

0.14

400

Ciudad de México

10.14

225

Relación inexistente entre extracción y consolidación a nivel cuenca.

Sitios principales con  consolidación en consolidación en  México

Exttracción, m3/s

Velocidad de subsidencia = f (Extracción) 60 40 20 0 0

5

10

15

20

25

Velocidad de subsidencia, cm /año

Subsidencia por extracción de agua subterránea en zonas de descarga Localidad

Efecto Adicional

Velocidad de subsidencia (cm/año)

Número de pozos

Extracción (m3/s)

Aguascalientes, Ags. Celaya, Gto. Cerro Prieto, B.C. Chalco, E.M. León, Gto. México City M Morelia, li Mich. Mi h Toluca, E.M. Salamanca, Gto. Queretaro, Qto.

movimiento de falla geológica crecimiento de falla geológica, fracturas crecimiento de falla geológica, fracturas crecimiento de falla geológica, fracturas consolidación crecimiento de falla geológica, fracturas i i t d de ffalla ll geológica, ló i ffracturas t crecimiento fracturas fracturas en rocas volcánicas crecimiento de falla geológica, fracturas

6 15 8 20 7 13.00 5 n.d. 6 n.d.

n.d. n.d. 127 14 n.d. 6000* n.d. d n.d. 1600 n.d.

0.24 n.d. 3.2 3.00 0.18 55.5 n.d. d 12.1 n.d. n.d.

Consolidación – es el proceso de compactación de un volumen de suelo debido al cambio en el esfuerzo efectivo que es la pérdida del agua de saturación que se manifiesta como reducción de volumen. Consolidación es causada por: 1) Reducción de presión de poro debida a extracción local Esfuerzo total = Esfuerzo efectivo + Presión del fluido (Freeze & Cherry, 1979)

2) Reemplazo de agua fría por caliente Presión del fluido = f(Temperatura)

(Sierra

de la C

ruces)

3) Construcción de infraestructura sobre el suelo 4) Cambio en dirección del flujo de agua subterránea (efecto de flujo regional)

5) Migración de agua de una unidad geológica

(Sierra

Rio Fr

ío)

¿Es posible controlar la  consolidación? El caso de Xochimilco El nivel freático pasó de humedal (descarga) a 70m de profundidad

¿Es posible controlar la subsidencia? K1, ne1, i1 K2, ne2, i2 Q = K*i*A K1 < K2 ne1 < ne2 C

C

tro n

tro n

e ld

S 0 2 0 2

a e d n ió rc tu 0 4 0 4

e ld

0 6 0 )6 (% lo e u s

d n u h

d n u h

m m n ie n ie

r a

la n ie c

0 8 0 8

0 1 0 1

to to

k,n

0 9 1 0 9 1

2 e 1 ,n k

= Q 1 n < k

*A i2

1 e

2 e

0 2 0 2

e 3 ,n k

)(c -1 s m c s m (

+ 2 -4 E .0 1 + 2 -4 E .0 1

lc ru h a id vid lc ru h a v

6 8 -2 E .0 1 6 8 -2 E .0 1

ti c u d n o tiC c u d n o C

4 6 8 -2 E .0 1 4 6 8 -2 E .0 1

0 0

Kns K3, ne3, i3

Q = Kns*i*A Kns Dependiente de la saturation

Grado de Saturación del material

Periodo 1980’s 1990’s 2000

Velocidad de subsidencia –0.49 a –0.25 m/año –0.28 a –0.22 m/año –0.18 y 0.02 m/año

Estación MOJ-72 MOJ-100 MOJ-205-R-90 MOJ-V-15-90 B(S13E06)03

Velocidad de subsidencia es ahora reducida en Xochimilco debido a las condiciones presentes de no-saturación

Xochimilco, Zumpango, p g Cuatrocienégas, Cuitzeo, Apan, Tecocomulco, Patzcuaro Almoloya Patzcuaro, Almoloya, entre otros

EVIDENCIAS DE MIGRACIÓN DE CONTAMINANTES HACIA LA UNIDAD ACUÍFERA

Pozos

San Luis 13

Canales

Laguna

Pista Olimpica

3.5

TENDENCIA QUE MANIFIESTA UN CAMBIO DE CALIDAD EN LOS POZOS A LA CALIDAD DEL AGUA EN EL CANAL

Cl (me eq/l)

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

Na (meq/l)

5.0

6.0

7.0

EVIDENCIAS DE MIGRACIÓN DE CONTAMINANTES HACIA LA UNIDAD ACUÍFERA Pozos

San Luis 13

Canales

Laguna

Pista Olimpica

1.8E-04

1.6E-04

1.4E-04

POZOS CON TENDENCIA AL CAMBIO DE CALIDAD POR LA CALIDAD DEL AGUA DE LOS CANALES

As (meq/l) A

1.2E-04

1.0E-04

POZOS CON TENDENCIA AL 8.0E-05 CAMBIO DE CALIDAD POR LA 6.0E-05 FILTRACIÓN DEL AGUA DE LA 4.0E-05 LAGUNA 2.0E-05

0.0E+00 0.000

0.001

0.001

0.002

0.002

0.003

Sr (meq/l)

0.003

0.004

0.004

0.005

0.005

CUATROCIÉNEGAS Área de Protección de Flora y Fauna (1994) • Tiene una superficie de 84,347 ha, y se considera el humedal más importante del Desierto Chihuahuense y uno de los humedales más importantes p en México. • Clasificado como sitio RAMSAR, lo que significa que es un humedal prioritario en el mundo. • La Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (CONABIO) lo incluye como sitio prioritario para la conservación. • Eco‐regiones Prioritarias para la Conservación, Conservación elaboradas por el Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF) lo consideran un sitio importante. • En esta planicie subsiste gran cantidad de especies endémicas como dos de las tres tortugas (bisagra o tortuga de castaña y tortuga de concha blanda), una de cinco ranas y sapos, nueve de quince peces, uno de doce copépodos, once de veinte moluscos, los siete gusanos tremátodos, el complejo de estromatolitos, entre otros.

IMTA

Condiciones negativas detectadas g Interconexión artificial de manantiales, disminución de área inundada, descenso del nivel de agua en muchas de las pozas Pese a que el agua no es apta para agricultura (tiene elevada salinidad) ha sido canalizada para su uso en proyectos de irrigación La construcción de canales interconecta pozas naturalmente aisladas, poniendo en contacto especies y poblaciones de organismos acuáticos, favoreciendo la entrada y dispersión de organismos exóticos. La extracción y conducción de agua por medio de canales impacta pozas y ríos, es de poca rentabilidad para usuarios, ya que cultivan alfalfa. que requiere de grandes volúmenes de agua La carga turística L t í ti excesiva i en balnearios b l i y zonas vecinas, i empieza i a significar i ifi un problema de contaminación y saqueo de flora y fauna.

Fotografía, Lorena Miranda

Preguntas por resolver…… ¿Existe conexión hidráulica entre los llamados acuíferos del Valle El Hundido

y el 

de Cuatrociénegas? de ser así, ¿puede la extracción de agua en el Valle El  Hundido poner en riesgo el flujo de agua de manantiales del Área Natural  Protegida de Cuatrociénegas? En junio de 2006 hubo alarma ya que el cuerpo de agua más extendido, conocido como Laguna  Churince, en un intervalo de dos meses prácticamente desapareció, coincidiendo con la apertura de  una serie de pozos, en el Valle El Hundido. 

¿Que procesos son responsables del descenso en el nivel de las pozas?

Fotografías de: Lorena Mirandaa

¿Cuál es la relación de Cuatrocienégas con el Cambio Climático?

Conclusiones El PSAH debe incorporar la identificación de los flujos de agua subterránea en tres dimensiones lo q que obliga g a entender q que una zona de recarga está ligada a su zona de descarga Los criterios de definición de PSAH deben acoplarse con bases científicas (hidrogeoquímica, geología, hidráulica, edafología, botánica) integradas en la definición de los sistemas de flujo Es imprescindible contar con información isotópica de agua de lluvia a mediano y largo plazos, para lograr tener PSAH con mayor eficiencia. Los humedales naturales son parte indivisible de las zonas de recarga, lo que se hace necesario entender los procesos de recarga (y tránsito) para encarar la protección de estas zonas de descarga.

Impactos ambientales relacionados con el uso ineficiente del agua subterránea en México, NUEVO ATLAS DE MÉXICO

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