Modelación integral de la gestión del sistema Zacapu y Pastor Ortiz en la Cuenca del Río Angulo (México)

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1 Uso de Sistemas Soporte a la Decisión en Planificación y Gestión Integradas de Recursos Hídricos. Metodologías y Experiencias prácticas. ISBN XXX-X-XXX-XXXXX-X Modelación integral de la gestión del sistema Zacapu y Pastor Ortiz en la Cuenca del Río Angulo (México) Mario A. Hernández Hernández 1, Sonia T. Sánchez Quispe 2, Jorge A. Almanza Campos 2, Abel Solera Solera 1 (1) Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medioambiente. Universidad Politécnica de Valencia. Camino de Vera S/N. CP Valencia, España. (2) Facultad de Ingeniería Civil. Laboratorio de Hidráulica. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Av. Francisco J. Múgica S/N. CP Morelia, Michoacán, México. 1. Introducción Actualmente el lago de Zacapu (Michoacán, México) es un reducto de una antigua ciénega de gran extensión, drenada para el establecimiento de agricultura y el crecimiento urbano. El cuerpo de agua ha quedado embebido en la mancha urbana de Zacapu y se encuentra en proceso de desecación, lo que ha incentivado la construcción de vivienda en sus al rededores. La Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (CONABIO, 2008) ha destacado la necesidad de reforestar y restaurar cuencas de tipo lacustre como la de Zacapu, impactada por el establecimiento de drenes agropecuarios que han reducido el lago a un remanente. Aunado a esto, existe el problema de una intensa deforestación de la cuenca alta y media, azolvamiento deliberado del lago y el encapsulamiento del mismo. La modificación del entorno por deforestación, la sobreexplotación de acuíferos para drenes agropecuarios y alta densidad poblacional circundante, han provocado que el lago se encuentre con un importante grado de degradación y contaminación (INE, 2010). En el presente artículo se plantean líneas de investigación que permitan conocer el funcionamiento subterráneo de la zona y las descargas que llegan hacia el lago de Zacapu, con lo que se espera incidir positivamente en la recuperación del mismo. Para llevar a cabo tal propósito, el trabajo se divide en dos apartados: (1) la elaboración de modelos de acuífero por autovalores para las masas subterráneas de Zacapu y Pastor Ortiz; (2) la inclusión de estos modelos en un esquema de gestión conjunta en el sistema de soporte a la toma de decisiones AQUATOOL DMA (Andreu et al. (1), 1996). Tras los dos primeros apartados, se introduce el caso de estudio y se introduce la metodología usada para elaborar los modelos de acuífero. El quinto apartado corresponde a los resultados obtenidos de la simulación del funcionamiento hidráulico conjunto de los 1

2 acuíferos del sistema, así como una aproximación de la gestión histórica y escenarios futuros de gestión en el sistema. El último apartado corresponde a una serie de conclusiones respecto al trabajo realizado. 2. Objetivos Elaborar una metodología que permita el estudio de unidades hidrogeológicas de manera integral y la explotación sustentable de los recursos hídricos. o o Comprender el funcionamiento de las masas subterránea de la zona de estudio Generar un modelo de funcionamiento hidráulico de las distintas masas subterránea, ligado con la hidrología superficial Generar criterios y medidas de explotación sustentable de las masas subterráneas. o Evaluar las aptitudes y deficiencias en la gestión actual del agua y proponer una alternativa de gestión para la mejora del sistema de recursos hídricos o Proponer soluciones a corto, mediano y largo plazo que garantice la distribución eficiente de los recursos hídricos 3. Caso de estudio 3.1 Características principales El sistema de explotación del Río Angulo (Figura 1) se encuentra dentro de la central cuenca del Lerma-Chapala, dentro del Estado de Michoacán (México), con una extensión de 2,080km 2. Está ubicado en el centro-occidente de México, en la llamada Meseta Purépecha, caracterizada por ser una zona lacustre de los estados de Michoacán y Guanajuato. El tipo de clima es templado sub-húmedo (14-18ºC), con lluvias en verano y una precipitación anual entre mm. Existen dos embalses de regulación y uno dedicado al riego y generación de energía eléctrica. No existen datos de calidad del agua en la zona. Los datos de aportaciones son calculados indirectamente con un modelo lluvia escorrentía (Modelo de Témez, 2012), usado comúnmente en España y diversas regiones de México. Los principales poblados son: Zacapu, Chupícuaro, Purépero, Panindícuaro, etc., que suman aproximadamente 97mil habitantes (INEGI, 2010): Las actividades económicas principales son: minería (depósito lacustre de diatomita), agricultura de riego y de temporal, ganadería, industria química, textil y comercio. 2

3 Figura 1. Ubicación de la Cuenca del Río Angulo en México y la Cuenca Lerma-Chapala. 3.2 Contexto de gestión actual Aspectos económicos: Hay actividad comercial, agropecuaria e industrial (químicos industriales). Pesquerías de trucha, carpa, lobina y de crustáceos. Problemática: Modificación del entorno: por deforestación, cambio de régimen natural de escorrentía, sobreexplotación de acuíferos para drenes agropecuarios y alta densidad poblacional circundante. Contaminación: por aguas residuales de Zacapu, fertilizantes de zonas agrícolas y desechos industriales. Alto contenido de materia orgánica e hidrocarburos en el Río Angulo por descargas municipales e industria química. Graves problemas de eutrofización en masas de agua superficial. Uso de recursos: Uso de suelo para asentamientos humanos y agropecuario. Uso del agua para abastecer distritos de riego, poblaciones urbanas, industria y para la generación de energía eléctrica. Mitigación de impactos y conservación: Necesidad de reforestar y restaurar la cuenca lacustre (Lago de Zacapu) Necesidad de conocer la disponibilidad de recursos hídricos y su uso Necesidad de conocer el impacto ambiental sobre los recursos hídricos en cuanto a la cantidad y calidad Necesidad de conocer el impacto económico de emprender distintas alternativas de gestión de los recursos 3

4 Existencia de algunos estudios de la UMSNH, el IPN y el Centro Regional de Investigación Pesquera de Pátzcuaro, sin embargo no está plenamente identificado el impacto ambiental sobre el río Angulo. Grupos e institutos de trabajo: Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo; Centro Regional de Investigaciones Pesqueras de Pátzcuaro; Instituto Politécnico Nacional. 4. Metodología Para poder establecer un esquema de gestión conjunta que interprete y simule el funcionamiento del sistema de explotación del Río Angulo y la evaluación de sus recursos hídricos, se utiliza el sistema de soporte a la decisión (SSD) AQUATOOL DMA. Para alimentar al SSD, se requiere de datos de entrada de un modelo hidrológico superficial y uno subterráneo. Como modelo superficial se cuenta con un modelo lluvia escorrentía calibrado en Témez y como modelo subterráneo, se desarrolló un modelo de autovalores en AQUIVAL (Andreu et al. (2), 1997), que es directamente acoplable a AQUATOOL DMA. El modelo superficial requiere del análisis de los usos del agua y la distribución de las demandas en el sistema, así como de un análisis detallado de las series de datos históricas (espacialmente distribuidas), corrección y llenado de las mismas, para la que se propuso una metodología automatizada, que sigue el diagrama de flujo de la Figura 2. Figura 2. Diagrama de flujo de metodología de llenado de datos automática para las series de datos de la cuenca del Río Angulo, México. 4

5 Para el modelo subterráneo se requiere lograr una interacción de flujos entre ambas masas subterráneas y que respondan ante las acciones externas que inciden en ellas. Se hace uso de un modelo de parámetros distribuidos, que es calibrado con pocos parámetros y el balance general de masa. En la Figura 3 se muestra en esquemas el resumen de las metodologías de trabajo para la obtención de los datos requeridos por el modelo de gestión de recursos hídricos de la cuenca del Río Angulo. Figura 3. Metodologías usadas para la obtención de datos requeridos por el modelo de gestión de la Cuenca del Río Angulo, México. 5. Resultados 5.1 Aspectos hidrológicos de la cuenca Del modelo lluvia escorrentía de Témez utilizado en la parte superficial de la cuenca del Río Angulo, destacan las series de precipitación anual, de evapotranspiración y escorrentía, las cuales se presentan en la Figura 4(a,b,c). De media, se tiene una precipitación de 741mm en el sistema, una ETP de 1558mm y una escorrentía de 263mm. Figura 4(a,b,c). Series de precipitación (a), evapotranspiración (b) y escorrentía superficial (c) para el período en la Cuenca del Río Angulo, México. 5

6 Sobre las demandas del sistema, se conoce que la mayor corresponde al sector agrícola, que actualmente corresponde a 52Hm 3 /año, seguida de la demanda urbana, del orden de 8.5 Hm 3 /año y finalmente la demanda industrial, del orden de 3.5Hm 3 /año. Su evolución histórica se presenta en la Figura 5, de acuerdo a datos derivados de INEGI (2010) para la zona de estudio. Figura 5. Histórico de demandas en el Sistema del Río Angulo, México. La recarga media incidente en el sistema corresponde a 54Hm3/año, de la cual 70% es de tipo natural (recarga de lluvia) y un 30% corresponde a retornos de los distritos de riego. Por su parte, las extracciones son del orden de 64Hm3/año, repartidas entre derivaciones y bombeos. Actualmente no se cuenta con datos de las presas en el sistema, solo se conoce su uso para abastecer distritos de riego y generación eléctrica en una de ellas. Puesto que estas presas se encuentran en la parte baja del sistema, no se considera su efecto sobre el flujo subterráneo de interés en la parte media del sistema, correspondiente a la descarga natural en la zona del Lago de Zamora. 5.2 Modelación conjunta de las masas subterráneas Para realizar la modelación y calibración conjunta de los acuíferos Zacapu y Pastor Ortiz, se definieron un conjunto de Acciones Elementales y Parámetros de control, los cuales se muestran también en la Figura 6(a,b,c): Acciones elementales: (1) recarga uniforme, una por cada masa subterránea; (2) tres zonas de extracción (distritos de riego); (3) dos zonas de manantial (celdas de nivel constante); (4) cuatro zonas de flujo horizontal preferente; (5) distribución variable de las zonas de bombeo en cada uno de los acuíferos. Parámetros de control: (1) altura piezométrica en zonas cercanas a los distritos de riego y en zona cercana a la población de Zacapu; (2) volumen de descarga por las celdas definidas como de tipo manantial; (3) volumen total almacenado en el conjunto de los acuíferos 6

7 Figura 6(a,b,c). Datos del Sistema del Río Angulo: Distritos de riego (a), distribución de pozos o extracciones (b), niveles piezométricos actuales (c) Como resultado de la modelación conjunta de los acuíferos Zacapu y Pastor Ortiz, se obtuvo la variación piezométrica en la zona cercana al Lago de Zacapu, la zona urbana, los distritos de riego, humedales y manantiales (Figura 7). Figura 7. Niveles piezométricos de descarga en zona de Lago de Zacapu y serie histórica anual y mensual de recarga para los Acuíferos Zacapu y Pastor Ortiz, contrastada con datos simulados 7

8 Además, como resultados, también fueron obtenidas las aportaciones hacia el Río Angulo, desde puntos en la cuenca media (entrada al humedal y descarga de manantiales) y baja (cola del embalse Melchor Ocampo y caudales de entrada y salida en tramos de distritos de riego). 5.3 Gestión histórica y futura Para la reconstrucción histórica de la gestión del sistema de explotación se realizó un análisis de los datos de demandas y aportaciones, provenientes de fuentes oficiales y los modelos hidrológicos respectivamente. Dichos datos fueron incluidos en un esquema de gestión en AQUATOOL DMA (Figura 8), mismo que sirve como base para el estudio de distintos escenarios de gestión futura en el sistema. Dichos escenarios futuros analizados deberán estar encaminados a mejorar las condiciones ambientales de la zona de interés: El Lago de Zacapu y sus fuentes de recursos hídricos. El esquema de gestión incluye los 3 distintos embalses del sistema (de almacenamiento y generación eléctrica), las tres principales demandas (agrícola, urbana e industrial), las aportaciones naturales del Río Angulo (provenientes del modelo superficial lluvia escorrentía de Témez), descargas por manantial (provenientes de flujo subterráneo, derivado de los modelos de acuífero calibrados), así como la interacción entre las demandas y extracciones hacia las masas subterráneas del sistema. Para la estimación futura de demandas y aportaciones, es posible utilizar modelos simples y conservadores (como una primera aproximación, susceptible de ser mejorada), que a su vez, pueden conducir a la revisión de casos concretos de gestión de recursos en el sistema de explotación, tales como: Incremento de descarga de caudal hacia la zona de humedal Reducción de demanda (extracciones) por tecnificación de riego Uso de masas subterráneas como embalses para captar mayores aportaciones Construcción de pequeños embalses de filtración (acequias) Inclusión de modelos de calidad del agua y transporte de contaminantes (en tramos de río, cuerpos de agua superficiales y subterráneos, etc.) El alcance del presente trabajo solo permite presentar un primer borrador del esquema de gestión, mismo que debe ser calibrado y ajustado a la gestión actual, para que con posterioridad pueda ser usado para el análisis de escenarios futuros. 8

9 Figura 8. Esquema de gestión en AQUATOOL DMA, adoptado para la evaluación de escenarios en el Sistema de Explotación del Río Angulo, México 6. Conclusiones La metodología de llenado de datos de series históricas de precipitación es un paso importante para el establecimiento del principal dato de entrada al sistema de recursos estudiado: las aportaciones en régimen natural. El modelo de flujo establecido para el estudio de los acuíferos del sistema permite evaluar de forma distribuida las acciones antrópicas sobre dicho sistema y el acoplamiento del modelo subterráneo de autovalores a un modelo de gestión, permitirá evaluar con posterioridad y de manera integral, las interacciones agua superficial - agua subterránea en el sistema. 9

10 Teniendo como base el modelo de flujo subterráneo, será posible estimar la afección de la calidad del agua en el sistema de recursos, en específico para determinados puntos de interés (manantiales, humedales, represas, distritos de riego, etc.). Modelar la cantidad y la calidad de los recursos hídricos en la cuenca del Río Angulo, con el objetivo de contribuir a la mejora de la gestión local y las condiciones ambientales del sistema, permitirá establecer distintos escenarios de gestión para presentarse ante actores locales (usuarios) y tomadores de decisiones del uso y distribución de los recursos hídricos. Referencias Andreu (1), J.; Capilla, J.; y Sanchís, E AQUATOOL, a generalized decision-support system for water-resources planning and operational management. Journal of Hydrology. 37p. Valencia, España. Andreu (2), J.; Solera, A.; Capilla, J.; Blanco, L AQUIVAL. Modulo para el pre-proceso y simulación de acuíferos. Valencia, España. CONABIO Comisión Nacional para el Conocimiento y uso de la Biodiversidad. Regiones terrestres prioritarias de México. Arriaga, L. J.M. Espinoza, C. Aguilar, E. Martínez, L. Gómez. INE, Atlas de la cuenca Lerma-Chapala. Instituto Nacional de Ecología. INE- SEMARNAT. 37p. México, DF. INEGI Instituto Nacional de Información Geográfica e Informática. III Conteo de Población y Vivienda México. Modelo de Témez, Adaptación del modelo hidrológico de Témez a la cuenca del Río Angulo, México. [J., Témez Modelo matemático de transformación precipitaciónaportación. ASINEL, España]. 10