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