Información de niveles piezométricos y precipitación para el análisis de sequía

Resumen

Las señales de alertas tempranas de sequía en aguas subterráneas están vinculadas a datos confiables, grandes periodos de observaciones climatológicas y tendencias hidrológicas.

Se realizó el análisis climatológico para un periodo de observación de 1980-2011 de datos mensuales de precipitación y para los últimos cinco años con datos piezométricos de la zona Allende-Piedras Negras. Se presenta el histograma de un piezómetro de monitoreo y las gráficas de la precipitación media mensual de las estaciones meteorológicas, así como el análisis de la evolución piezométrica relacionada con la precipitación.

En la zona, donde se ubican los poblados de Zaragoza, Morelos, Nava y Allende, se extiende una planicie que se continúa hasta el Río Bravo, la cual está formada por materiales granulares del Terciario (Conglomerado Sabinas-Reynosa), cubiertos por una capa de aluvión Cuaternario, con un espesor aproximado de 40 metros. El acuífero en esta zona presenta una rápida respuesta al abatimiento y a la recuperación del nivel estático. La elevación del nivel estático para los años 2005 y 2011 fue de 284 y 281 metros sobre el nivel del mar, respectivamente; presentando un descenso de tres metros en este periodo. La precipitación pluvial en la zona tiene un promedio anual de 540 milímetros.

A partir de una red de monitoreo con mediciones continuas es posible precisar las variaciones temporales del nivel piezométrico, lo que permite definir claramente la influencia de la precipitación con la elevación del agua subterránea, mediante un análisis multivariado. Este análisis contribuye a identificar periodos o rangos de posible presencia del efecto de la sequía.

Los acuíferos son menos sensibles que las fuentes superficiales a las fluctuaciones de la precipitación pluvial y, por lo mismo, menos vulnerables a las sequías, cuyos efectos amortiguados se manifiestan con retraso en los niveles del agua subterránea y no disminuyen, por lo menos a corto plazo.

Con este tipo de análisis se pueden obtener indicadores y generar sistemas de alerta confiables ante una posible sequía.

Introducción

La región de Allende-Piedras Negras queda dentro de la región Hidrológica 24, denominada Río Bravo-Conchos; que comprende la subcuenca Río Escondido-Río San Antonio y Arroyo Castaños.

La zona se ubica en una gran área climática denominada Desierto de Chihuahua, o Desierto del Norte de México. Se caracteriza por poseer climas continentales, secos y muy secos, que van desde los semicálidos predominantes en los bolsones coahuilenses, hasta los templados de las partes más altas y las más septentrionales. De acuerdo al sistema de clasificación climática de Köppen, modificado por E. García (1970), la zona Allende–Piedras Negras presenta un clima que fluctúa de seco a semicálido, los meses más calientes son julio y agosto con temperaturas medias mensuales superiores a los 37 °C.

El régimen de lluvias en el norte del país es muy irregular en tiempo y espacio, aunado a esto se presentan periodos de precipitación que alcanzan valores por debajo de los normales históricos, por lo que ocurren sequías, en especial las cuencas del Nazas y Río Bravo.

La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos menciona que la sequía puede ser clasificada de cuatro maneras: meteorológica cuando la precipitación es inferior a lo normal para un lugar específico; agrícola cuando la humedad de los suelos no satisface los requerimientos para lograr un cultivo; hidrológica cuando las reservas superficiales y subterráneas están por debajo de lo normal; y socioeconómica cuando la escasez de agua afecta a las personas.

Los efectos de la sequía presentada en los últimos años se ha reflejado en la disminución de los niveles piezométricos de los acuíferos del norte del país. La sequía es un evento climático extremo incierto que al finalizar el periodo seco, los efectos son increíblemente costosos y devastadores.

En el presente trabajo se pretende identificar la relación que guarda el comportamiento de los niveles piezométricos con la presencia de fenómenos naturales extremos mediante el análisis de datos mensuales de niveles piezométricos y el análisis de fenómenos extremos, utilizando las estaciones localizadas en la zona Allende-Piedras Negras. Además se presenta el histograma de un piezómetro de monitoreo y las gráficas de la precipitación media mensual de las estaciones meteorológicas de Piedras Negras y Zaragoza, así como el análisis de la evolución piezométrica relacionada con la precipitación.

Metodología

La información de precipitación de las estaciones empleadas se obtuvo del extractor rápido de información climatológica (ERIC III, 2009). Del análisis de los datos climatológicos se aprecia que las lluvias registradas en la zona Allende-Piedras Negras localizada en la cuenca del Río Bravo, se presentan principalmente en el periodo comprendido entre los meses de abril a octubre, mientras que el periodo de estiaje se presenta de noviembre a marzo (figura 1), con una precipitación promedio anual de 540 milímetros.

Figura 1. Precipitación media mensual de la estación Piedras Negras

En el acuífero Allende–Piedras Negras, existe un sistema hidrogeológico local muy relacionado con el acuífero regional en las calizas cretácicas: este es el acuífero en antiguos rellenos aluviales representado por la Formación Sabinas-Reynosa de Edad Terciaria, constituida por materiales granulares, formados en una planicie que desciende del flanco este de la Serranía del Burro hacia el Río Bravo, tiene un espesor que varía de 0-15 metros en la porción occidental, 40 metros en promedio en su porción central y menos de 10 metros hacia la parte oriente. Descansa sobre las rocas semipermeables e impermeables del Cretácico Superior. Este acuífero somero es alimentado parcialmente por las descargas del acuífero cárstico regional en calizas cretácicas (COPEI, 2007).

En la zona, donde se ubican los poblados de Zaragoza, Morelos, Nava, Allende y Piedras Negras, se extiende una planicie que se continúa hasta el Río Bravo, la cual está formada por materiales granulares del Terciario (Conglomerado Sabinas-Reynosa), cubiertos por una capa de aluvión Cuaternario. El acuífero en esta zona presenta una rápida respuesta al abatimiento y a la recuperación del nivel estático.

Para el análisis de la evolución del nivel piezométrico, se considera el periodo de noviembre de 2005 a marzo de 2011. Tomando como ejemplo el piezómetro M6_01, donde el acuífero presenta una abatimiento gradual de 3 metros que corresponde a 0.6 metros por año. La elevación del nivel estático para los años 2005 y 2011 fue de 284 y 281 metros sobre el nivel del mar, respectivamente (Figura 2).

Figura 2. Mediciones diarias del nivel estático, piezómetro M6_01

Este trabajo utiliza la precipitación para reconstruir los niveles piezométricos históricos, inicialmente se realiza un recopilación y depuración de la información climatológica. Posteriormente se seleccionan las estaciones climatológicas utilizando análisis de correlación múltiple lineal y se genera una ecuación de regresión múltiple con dicha información. Topaloglu (2002) define a la regresión como una técnica que es usada para desarrollar relaciones entre las características climáticas del tipo:

En la figura 3, se presenta la ubicación de las estaciones climatológicas respecto al piezómetro M6_01 utilizado en la relación lluvia-niveles piezométricos. Se observa que el piezómetro está en una sección intermedia del acuífero y entre las estaciones de mejor ajuste en el análisis de correlación múltiple.

Figura 3. Ubicación del Piezómetro y estaciones climatológicas

Durante el proceso de identificación de la respuesta del acuífero se relaciona la lluvia y niveles estáticos, retrasando los niveles para diferentes combinaciones de meses y se determinó que retrasando la serie del nivel estático cuatro meses respecto a la lluvia se tenía mejor correlación entre estas dos variables. Esto implica que cuando ocurre algún evento de lluvia importante en el acuífero se manifiesta como mínimo cuatro meses después.

Debido al tipo de geología presente en la región la respuesta del acuífero con respecto a la lluvia presenta una temporalidad de un año.

Se comenta que existen afectaciones a los mantos freáticos producto de la explotación minera, del aprovechamiento agrícola y de uso urbano, ocasionando un abatimiento de los niveles del acuífero inducidos por actividades humanas.

En la tabla 1 se presentan la lluvia anual acumulada utilizada en este trabajo, la cual presentó mayor correlación mensual y anual, con los niveles estáticos.

Tabla 1. Lluvia anual acumulada y niveles estáticos.

En la tabla 2 y figura 4 se presenta la matriz de correlación múltiple de las variables analizadas, se puede observar que existe muy buena correlación entre la lluvia y una aceptable correlación entre la lluvia y el nivel estático.

Tabla 2. Correlación entre la lluvia anual acumulada y niveles estáticos.

Figura 4. Matriz de correlación múltiple

En el análisis de regresión múltiple se puede aprecia un adecuado ajuste entre la lluvia y los niveles estáticos, teniendo un coeficiente de determinación múltiple de 0.62 y una ecuación del tipo:

En la figura 5 se muestra el ajuste obtenido entre el nivel estático calculado y el medido, se aprecia claramente el efecto de la temporalidad anual de la lluvia y niveles estáticos. En esta figura los niveles estáticos están retrasados cuatros meses, con el fin de interpretar claramente las relaciones identificadas. El efecto de infiltración es relativamente rápido debido a que los niveles presentados en el acuífero son someros, respecto al nivel del terreno.

Figura 5. Nivel estático calculado y lluvia de la zona

Resultados

En la figura 6 se reconstruyen los niveles estáticos históricos utilizando la ecuación de regresión calculada. Se aprecia claramente que existe una carga y descarga del acuífero por efecto de la intercomunicación en el acuífero y el río Grande o Bravo. También se observa que los niveles de agua subterránea disminuyen con el tiempo por la correlación que existe con la precipitación.

Figura 6. Niveles estáticos simulados en el tiempo con la ecuación de regresión múltiple

Con los datos de mediciones de nivel estático en el piezómetro M6_01 es posible identificar la variación temporal del nivel, lo que permite definir claramente la influencia de la precipitación en la estación climatológica Piedras Negras con la elevación del agua subterránea. También se puede observar en la figura 7 que cuando se presenta un año lluvioso la respuesta del acuífero tiende a recuperar el nivel estático, esto se puede apreciar en el año 2007 y 2010.

Figura 7. Evolución de los niveles piezométricos con respecto a la estación Piedras Negras

La misma tendencia ocurre al analizar y comparar los datos de precipitación de la estación climatológica Zaragoza (figura 8) con los datos de medición del nivel estático del piezómetro M6_01, el comportamiento del nivel estático es descendente con respecto al tiempo, solamente se aprecian signos de recuperación en el año 2007 y 2010 los cuales fueron años considerados "lluviosos".

Figura 8. Evolución de los niveles piezométricos con respecto a la estación Zaragoza

De lo anterior se desprende que los niveles de agua subterránea se pueden considerar como indicadores de alerta local para detectar posibles efectos de fenómenos extremos. Siempre y cuando se tenga mediciones periódicas e históricas de una red óptima de monitoreo piezométrico.

Conclusiones

Este análisis contribuye a establecer señales de alerta local o rangos de posibles presencias del efecto de la sequía. Como se aprecia en los años 2008 y 2009 de las figuras 7 y 8.

Las señales de alertas tempranas de sequía en aguas subterráneas esta vinculado a datos confiables y de grandes periodos de observaciones climatológicas y tendencias hidrológicas.

Los acuíferos son menos sensibles que las fuentes superficiales a las fluctuaciones de la precipitación pluvial y, por lo mismo, menos vulnerables a las sequías, cuyos efectos amortiguados se manifiestan con retraso en los niveles del agua subterránea y no disminuyen, por lo menos a corto plazo. Como resultó en el análisis multivariado, que la mejor correlación se presentó con un desfase de cuatro meses. Esto implica que cuando ocurre algún evento de lluvia importante en el acuífero se manifiesta como mínimo en este acuífero cuatro meses después.

Para mejorar nuestro análisis se deben aprovechar tanto la red automática instalada para el monitoreo piezométrico en el acuífero, como la generación de datos climatológicos de las estaciones meteorológicas automatizadas, esto permitirá cada vez más ir sensibilizando los modelos o análisis multivariados para tener indicadores y generar sistemas de alerta confiables.

Referencias

1.- COPEI Ingeniería (2007). Balance Geohidrológico del acuífero Allende-Piedras Negras, Coah. México.

2.- García, E. (1981). Modificaciones al sistema de clasificación climática de Köppen. México, D.F.

3.- Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (2009). Extractor Rápido de Información Climatológica (ERIC III, V 1.1). México.

4.- NOAA. Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. www.ncdc.noaa.gov/nadm.html

5.- Topaloglu F. (2002). "Estimation of Instantaneous Peak Flows in Seyhan River Basin using Regional Regression Procedures". Turkish Journal of Agriculture and Forestry, Vol. 26, pp. 47-55.

Autor:

Gallardo Almanza Pablo,

Becerra Soriano Raúl Alfonso,

Ruíz Silva Haydeé Lilian,

Becerra Soriano Leticia