Estudio De Respuesta Hidrodinámica Simulada en El Acuífero Del Valle De Acambay Study of Simulated Hydrodynamic Response in the Acambay Valley Aquifer

ESTUDIO DE RESPUESTA HIDRODINÁMICA SIMULADA EN EL ACUÍFERO DEL VALLE DE ACAMBAY STUDY OF SIMULATED HYDRODYNAMIC RESPONSE IN THE ACAMBAY VALLEY AQUIFER Abraham Domínguez-Acevedo1, José L. Oropeza-Mota1, Enrique Palacios-Vélez1 y Jaime Garfias-Solís2 1 Hidrociencias. Campus Montecillo. Colegio de Postgraduados. 56230. Montecillo, Estado de México. ([email protected]), ([email protected]), ([email protected]). 2Centro Interamericano de Recursos del Agua. Unidad San Cayetano. Carretera Toluca-Ixtlahuaca km 14.5. Toluca, Estado de México. ([email protected]).

RESUMEN

ABSTRACT

Los modelos hidrodinámicos permiten contar con indicadores cuantitativos para evaluar el efecto ecológico y económico que tendrán distintas condiciones de manejo sobre los acuíferos antes de ser llevadas a la práctica. Sin embargo, para no considerar la recarga superficial como un valor global, es necesario ligar estos modelos con otro hidrológico que permita generar los datos de recarga, respondiendo a una distribución espacial más apegada a la realidad. La integración del modelo hidrológico SWAT y el hidrodinámico MODFLOW es una alternativa a esta necesidad, que para el acuífero Valle de Acambay presentó errores entre 8% en la etapa de calibración y 11% en la de validación. En este acuífero se simularon cinco escenarios: I) tendencia actual; II) conversión total a un cultivo de alta rentabilidad (cebolla); III) conversión parcial a un cultivo de alta rentabilidad; IV) conversión total a un cultivo de alta rentabilidad modificando la distribución de pozos; V) escenario de equilibrio. Puesto que el objetivo del presente trabajo no fue generar un plan integral de manejo, los escenarios son teóricos, con objeto de resaltar el potencial de respuesta hidrológica-hidrodinámica de la integración SWATMODFLOW. Así mismo, en el análisis económico sólo se analizaron los costos variables generados por el bombeo, mientras que los costos de producción se consideraron constantes en función del cultivo utilizado. Con base en estas consideraciones los escenarios III y IV son los más rentables, al reducir los costos de extracción, mientras que el escenario V permite mejorar las condiciones actuales sin sobreexplotar al acuífero. La comparación del escenario II y IV mostró el efecto de la distribución espacial y volumétrica para un mismo volumen global de extracción.

Hydrodynamic models allow for quantitative indicators to evaluate the ecological and economic effect that different management conditions will have on aquifers before being taken to practice. However, as not to consider surface recharge as a global value, it is necessary to associate these models with another hydrological one, that allows to generate the recharge data responding to a space distribution closer to reality. The integration of the hydrological SWAT model and the hydrodynamic MODFLOW is an alternative to this necessity that presented errors between 8% at the calibration stage and 11% at that of validation, for the aquifer of the Acambay Valley. In this aquifer five scenarios were simulated: I) Current tendency; II) total conversion to a crop of high profitability (onion); III) partial conversion to a crop of high profitability; IV) total conversion to a crop of high profitability modifying the distribution of wells; V) balance scenario. Since the objective of the present work was not to generate a plan of integrated management, the scenarios are theoretical in order to highlight the potential of hydrological-hydrodynamic response of the SWAT-MODFLOW integration. Likewise, in the economic analysis, only the variable costs generated by pumping were analyzed, while the production costs are considered constant, according to the utilized crop. Based on these considerations, the scenarios III and IV are the most profitable, reducing the extraction costs, while scenario V allows to improve the current conditions without overexploiting the aquifer. The comparison of scenarios II and IV showed the effect of spatial and volumetric distribution for one and the same global extraction volume. Key words: Aquifer, scenarios, hydrodynamics, hydrology.

Palabras claves: Acuífero, escenarios, hidrodinámica, hidrología.

INTRODUCTION

INTRODUCCIÓN

E

W

ater management requires knowledge of the resource, its occurrence in time and space, its function as input in productive activities, and the solution to the problems generated by shortage, excess, and contamination. In México, natural limiting factors make study, quantification, rational exploitation,

l manejo del agua requiere conocimiento del recurso, de su ocurrencia en el tiempo y en el espacio, de su función como insumo en las actividades

Recibido: Octubre, 2003. Aprobado: Enero, 2005. Publicado como ARTÍCULO en Agrociencia 39: 247-258. 2005.

247

AGROCIENCIA, MAYO-JUNIO 2005

productivas, y de las soluciones a los problemas generados por su escasez, exceso y contaminación. En México, dadas las limitaciones naturales que dificultan el estudio, cuantificación, explotación racional y manejo de las aguas subterráneas, se ha prestado mayor atención al estudio de aguas superficiales (Chávez, 1987). Esto ocurre aunque 70% del total del agua utilizada en las grandes urbes proviene de recursos subterráneos (CNA, 1996). En el manejo y planificación del agua subterránea se usan modelos de flujo hidrodinámico para predecir el efecto de las diferentes condiciones de manejo y extracción sobre el acuífero. Para entender el comportamiento de los flujos subterráneos, en principio se consideraron dentro de una celda independiente (Bredehoeft, 2002), pero en la década de los setenta el desarrollo del cómputo permitió resolver sistemas complejos de modelos matemáticos. Así, el U.S. Geological Survey desarrolló la primera versión del modelo de flujo subterráneo MODFLOW (Abbott et al., 1986). Sin embargo, la interacción del acuífero con el comportamiento superficial del terreno es un punto restringido, limitándose en la mayoría de los casos a considerar el valor de recarga superficial como uno general proveniente de un balance de aguas. Sophocleous y Perkins (2000) mencionan la necesidad fundamental de interactuar, en tiempo y espacio, la parte hidrológica con la hidrodinámica dentro del marco de una cuenca o unidad de desarrollo. Según Abbott et al. (1986), uno de los modelos más conocidos es el SHE (Sistéme Hydrologique Europé), desarrollado por institutos de investigación en Francia, Dinamarca y el Reino Unido; sin embargo su uso está muy limitado en países como México, por la gran cantidad de información que requiere. Dada la carencia de herramientas que integren la hidrología y la hidrodinámica en un mismo proceso de análisis de alternativas de manejo, en el presente trabajo se usan los datos generados por el modelo hidrológico SWAT (Soil & Water Assessment Tool) (Arnold et al., 1999) como base para generar el valor de recarga espacial del modelo de flujo hidrodinámico MODFLOW 3.0 con el cual se estudiarán cinco escenarios de posibles formas de manejo a fin de diagnosticar la capacidad de respuesta de la integración SWAT-MODFLOW. El trabajo se hizo en el Valle de Acambay, en la parte baja de la cuenca El Tejocote, Atlacomulco, Estado de México, donde se ha evaluado y calibrado el modelo SWAT (Torres, 2000)3, lo que permite tener los valores necesarios para el balance superficial de aguas. Los volúmenes de extracción de agua han sido supervisados y controlados por la CNA desde principios de los setenta 3

and management of ground water difficult; therefore, greater attention has been paid to the study of surface water (Chávez, 1987). This happens, although 70% of the water total in the large cities comes from underground resources (CNA, 1996). Hydrodynamic flow models are utilized in management and planning of underground water to predict the effect of different management and extraction conditions on the aquifer. To understand the behavior of ground water flows, they were considered, at the beginning, within an independent cell (Bredehoeft, 2002), but in the nineteen seventies, the development of computer technology allowed to work out complex systems of mathematical models. So, the U.S. Geological Survey developed the first version of the MODFLOW underground flow model (Abbott et al., 1986). However, the interaction of the aquifer with the soil surface performance is practically unknown; in most cases, it is limited to considere the value of surface recharge as a general one originating from a water balance. Sophocleous and Perkins (2000) mention the fundamental need of the hydrologic part to interact, in time and space, with the hydrodynamic part within the limits of a watershed or a unit of development. According to Abbott et al. (1986), one of the best-known models is the SHE (Système Hydrologique Européen), developed by research institutes in France, Denmark, and the United Kingdom; however, its use is very limited in countries such as México, because of the great amount of information required. As there is a lack of tools that integrate hydrology and hydrodynamics in one and the same process of analysis of management alternatives, in the present research the data generated by the SWAT (Soil &Water Assessment Tool) hydrologic model (Arnold et al., 1999) are utilized as basis for generating the spatial recharge value of the MODFLOW 3.0 hydrodynamic flow model, with which five scenarios of possible management forms will be studied, with the purpose to diagnose the response capacity of SWAT-MODFLOW integration. The work was carried out in the Acambay Valley in the low-lying part of the El Tejocote watershed, Atlacomulco, State of México, where the SWAT model (Torres, 2000)3 has been evaluated and calibrated allowing to count on the values needed for the surface balance of waters. The water extraction volumes have been supervised and controlled by the CNA from the beginning of the seventies in this watershed, which records continuous depletion. Its extension, physiography, and management conditions permit an adequate surface and underground delimitation of the site,

Torres, B. E. 2000. Comparación de los modelos de simulación hidrológica SWRRB y SWAT en la cuenca El Tejocote, Atlacomulco, Edo. de México. Tesis de Maestría, Colegio de Postgraduados. Montecillos, México. pp: 109-110.

248

VOLUMEN 39, NÚMERO 3

ESTUDIO DE RESPUESTA HIDRODINÁMICA SIMULADA EN EL ACUÍFERO DEL VALLE DE ACAMBAY

en esta cuenca, la que registra un abatimiento continuo. Su extensión, fisiografía y condiciones de manejo permiten una adecuada delimitación superficial y subterránea del sitio, lo cual brinda un adecuado laboratorio natural para verificar la precisión y bondades de la simulación integral de escenarios. Los escenarios propuestos son: I) régimen actual; II) conversión de la superficie total a un cultivo de alta rentabilidad; III) conversión parcial de la superficie al cultivo de alta rentabilidad; IV) conversión total con una redistribución espacial de los pozos y gastos de bombeo; V) escenario de equilibrio, donde la extracción se limite al volumen calculado de recarga al acuífero. Por lo anterior, el objetivo del presente trabajo fue analizar la capacidad de respuesta causa-efecto que sobre el acuífero Valle de Acambay tendrían distintas condiciones de manejo superficial a partir de la integración SWAT-MODFLOW en diferentes escenarios teóricos. Así se verificaría la hipótesis de que la fluctuación de los niveles estáticos (N.E.) y dinámicos (N.D.) del acuífero del valle de Acambay no sólo es función de los volúmenes de extracción, sino de la distribución espacial y temporal de los valores de recarga, por lo que la interacción SWAT-MODFLOW es una herramienta útil para la planificación integral de recursos.

which provides an adequate natural laboratory to verify precision and goodness of the integrated simulation of scenarios. The scenarios proposed are: I) Current regime; II) conversion of the total surface to a crop of high profitability; III) partial conversion of the area to a highprofitability crop; IV) total conversion with spatial redistribution of wells and pumping discharge; V) scenario of balance, where extraction is limited to the estimated volume of aquifer recharge. Considering the previous, the objective of the present study was to analyze the capacity of cause-effect response brought upon the Acambay Valley aquifer by different conditions of surface management starting from the integration of SWAT-MODFLOW in different theoretical scenerarios. Thus, the hypothesis would be confirmed that the fluctuation of static (SL) and dynamic levels (DL) of the Acambay Valley aquifer is not only function of the discharge volumes, but also of the distribution of recharge values in space and time; therefore, the SWATMODFLOW interaction is a useful tool for integrated resource planning.

METODOLOGÍA

The zone is in the Northwest of the State of México (between 19° 50’ and 20° 00’ N and between 99° 45’ and 100° 00’ W) (Figure 1), at an average height of 2608 m above sea level; the area utilized for the establishment of the aquifer model covers 6410 ha. The total extension of the watershed, delimited starting from El Tejocote hydrometric station is 17 656 ha, but the study area comprises 13 500 ha in the northern part of the watershed (Figure 2). For the correction of the stream discharge from the watershed, due to the diminution of the area (76.5% of the watershed total), a linear behavior between the watershed area and the registered stream discharge was assumed. Río Chiquito with an average runoff of 20.7 hm3 year−1 (SIAS, 1998) at El Tejocote station is the main stream (Figure 1) for water availability. There are 34 deep wells with discharges between 5 and 48 l sec−1 having a global discharge volume of 13.95 hm3 year−1, and 79 small surface water storages with a capacity of 2.65 hm3 year−1. The climate is temperate sub-humid with rainfalls in the summer and uniform distribution from the beginning of June to the end of September, and annual mean temperature and precipitation of 13.35 °C and 839 mm. A hundred percent of the soils in the valley zone are deep, with a texture varying from medium to heavy, without salinity problems; 90% of the area is planted with corn, and 10% with crops such as oats, wheat, maguey, prickly pear, and fruit trees (Fernández, 1996)4.

Caracterización de la zona de estudio Está en el noroeste del Estado de México (entre 19° 50’ y 20° 00’ N y entre 99° 45’ y 100° 00’ O) (Figura 1), a una altura media de 2608 m; el área utilizada para la elaboración del modelo del acuífero es de 6410 ha. La extensión total de la cuenca, delimitada a partir de la estación hidrométrica El Tejocote, es 17 656 ha, pero el área de estudio comprende 13 500 ha en la parte norte de la cuenca (Figura 2). Para la corrección de gasto de salida de la cuenca debida a la disminución del área, se supuso un comportamiento lineal entre área de la cuenca y el gasto registrado (76.5% del total de la cuenca). La disponibilidad principal de agua es del Río Chiquito (Figura 1), con un escurrimiento promedio de 20.7 hm3 año−1 (SIAS, 1998) en la estación El Tejocote. Hay 34 pozos profundos con gastos entre 5 y 48 Lps, con un volumen de extracción global de 13.95 hm3 año−1 y 79 pequeños almacenamientos con una capacidad de 2.63 hm3 año−1. El clima es templado subhúmedo, con lluvias en verano y una distribución uniforme que va desde principios de junio hasta fines de septiembre, y una temperatura y precipitación media anual de 13.35 ºC y 839 mm. En la zona del valle 100% de los suelos son profundos con textura que varía de media a pesada, sin problemas de salinidad; 90% se siembra con maíz, y 10% tiene cultivos como avena, trigo, cebada, maguey, nopal y frutales. (Fernández, 1996)4.

METHODOLOGY Characterization of the study site

4

Fernández, R. D. S. 1996. Aplicación del modelo de simulación SWRRB para determinar el balance hidrológico de la cuenca El Tejocote, Atlacomulco, Estado de México. Tesis de Maestría, Colegio de Postgraduados. Montecillo, México. pp: 28-33.

DOMÍNGUEZ-ACEVEDO et al.

249

AGROCIENCIA, MAYO-JUNIO 2005

20º 00’ 99º 45’

Valle de Acambay Río Chiquito

Límite de la zona de aporte al área de estudio

Estado de México

100º 00’

Estación hidrométrica El Tejocote Parteaguas de la cuenca El Tejocote

0 1 2 3 4 5 km

19º 50’

Figura 1. Localización geográfica del Valle de Acambay. Figure 1. Geographical location of the Acambay Valley.

N

Límite del área de aporte (13 500 ha)

O

E S 24

Curvas topográficas (cada 20 m)

17

23 25

22 26

21

15 13 16 24 24 24 19 10 20 98 18 7

27 29 28 31 30

Curva topográfica (elevación 2 590 m)

6

Pozos de extracción

5 34

33

4 2

Cauce principal (Río Chiquito)

3

Cauces secundarios 0

1

2

3

4

5

km

Figura 2. Delimitación en planta de la zona de estudio. Figure 2. Demarcation of the study zone.

Delimitación de la zona de estudio

Demarcation of the study site

El límite del modelo conceptual es la línea imaginaria que representa la curva topográfica con elevación 2590 m, que incluye el total de los pozos de extracción los cuales son la única ventana para conocer las características físicas e hidráulicas del acuífero, por lo que se decidió no extrapolar la información. Esta línea representa un marcado contraste entre las zonas accidentadas y la zona del valle (Figura 2).

The border of the conceptual model is the imaginary line represented by the topographic curve with 2590 m height, which includes the total of extraction wells, the only way to recognize the physical and hydraulic characteristics of the aquifer; therefore it was decided not to extrapolate the information. This line represents a marked contrast between the rough zones and the zone of the valley (Figure 2).

250

VOLUMEN 39, NÚMERO 3

ESTUDIO DE RESPUESTA HIDRODINÁMICA SIMULADA EN EL ACUÍFERO DEL VALLE DE ACAMBAY

Construcción del modelo conceptual del acuífero del Valle de Acambay

Construction of the conceptual model of the Acambay Valley aquifer

MODFLOW lee la información que define el tamaño físico del sistema a partir de una rejilla rectangular. La cuadrícula en planta tiene una distribución de 100 filas (eje X) por 100 columnas (eje Y); cada celda es de 110 m×110 m y se cubre un área de 121 km2. En la Figura 3 se muestra el patrón de las celdas y ciertos rasgos indicadores como zonas de flujo inactivo, la corriente principal (Río Chiquito), cuerpos de agua y pozos de bombeo. La estratigrafía vertical se definió a partir de la información generada de estudios de sondeo eléctrico vertical distribuidos en la zona de estudio (Agrogeología, 1981), cuyos valores fueron verificados a partir de cortes litológicos (UNITECNIA, 1996). Se definieron tres capas: (1) capa de las arenas y otros materiales no consolidados del acuífero freático superficial; (2) la semiconfinante, con materiales de baja permeabilidad que será representada como discontinua: (3) el acuífero principal del valle compuesto por arenas y gravas con materiales finos. El basamento del modelo está formado por andesitas y otras rocas de baja permeabilidad. Las condiciones de frontera fueron nombradas de acuerdo con la designación de MODFLOW: River, Drain, General head (GHB), Constant head (CHD) y Recharge (RCH), cuya distribución se detalla en la Figura 3. Las características hidrodinámicas del acuífero (Cuadro 1), se obtuvieron a partir de pruebas de bombeo realizadas en estudio previos (UNITECNIA, 1996). De estos análisis se generaron los valores iniciales de conductividad hidráulica, retención específica, coeficiente de almacenamiento y transmisividad.

MODFLOW scans information that defines the physical size of the system from a rectangular grid. The grid map has a distribution of 100 rows (X axis) per 100 columns (Y axis); each cell is 110 m×10 m, and an area of 121 km2 is covered. In Figure 3 the cell pattern and certain representative features, like inactive flow zones, the main stream (Río Chiquito), surface water storages, and discharge wells, are shown. Vertical stratigraphy was defined based on the information generated by studies of vertical electric boring, made all over the study zone (Agrogeología; 1981), whose values were verified through lithological cuts (UNITECNIA, 1996). Three strata were defined: 1) layer of sands and other non-consolidated materials of the phreatic surface aquifer; 2) the semi-confined layer, with materials of low permeability, which will be presented as discontinuous; 3) the main aquifer of the valley composed of sands and gravel with fine materials. The plinth of the model is formed by andesites and other rocks of low permeability. The border conditions, whose distribution is detailed in Figure 3, were named according to MODFLOW denomination: River, Drain, General Head (GHB), Constant Head (HD), and Recharge (RCH). The hydrodynamic characteristics of the aquifer (Table 1) were defined based on the pumping tests carried out in previous studies (UNITECNIA, 1996). The initial values of hydraulic conductivity, specific retention, and the coefficient of storage and transmissibility, were generated from above-said analyses. Determination of the aquifer recharge values

Determinación de los valores de recarga al acuífero

In the first place, a general balance of recharge was obtained with the equation:

En primer lugar se obtuvo un balance general de recarga con la ecuación: R = P − (Ev + ECA + QS)

(1)

(1)

donde R = es el valor de recarga; P = precipitación; Ev = evapotranspiración; ECA = evaporación a partir de cuerpos de agua; QS = escurrimientos superficiales fuera de la zona. P es producto de la lluvia directa sobre la zona (0.839 m) más un componente que proviene del área de aporte (13.5 km2) el cual, suponiendo un coeficiente de escurrimiento de 0.3, se puede calcular como sigue: [(13 500 000 m2 − 6 410 000 m2) × 0.839 m × 0.3] ÷ 6 410 000 m2 = 0.278 m Se tiene que P = 0.839 + 0.278 = 1.12 m año

R = P − (Ev + ECA + QS)

−1

Para QS se obtuvo un volumen escurrido corregido de 16.44 hm3 para la zona de aporte al valle, considerando un valor medio anual en la estación hidrométrica El Tejocote de 20.71 hm3 (176.56 km2):

Cuadro 1. Resumen de parámetros hidrodinámicos iniciales. Table 1. Summary of initial hydrodynamic parameters. Parámetro Acuífero freático Conduc- Acuífero tividad principal Capa semi confinante

Valor

Unidad

KX, KY KZ

1.0×10−5 1.0×10−6

m s−1

KX, KY KZ

7.85×10−5 7.85×10−6

KX, KY KZ

1.0×10−8 1.0×10−9

Retención especifica

0.1

Coeficiente de almacenamiento

5.65×10−3

Transmisividad

154

DOMÍNGUEZ-ACEVEDO et al.

M

m m−1 m2 día−1

251

AGROCIENCIA, MAYO-JUNIO 2005

QS = 16 440 000 m3 año−1 ÷ 64 100 000 m2 = 0.250 m año−1 Para ECA se consideró una lamina de 3.99 mm d−1 la cual corresponde al promedio anual de evaporación reportada para el tanque tipo A en la estación Acambay, y un área total expuesta (incluyendo cauces y cuerpos de agua) de 2 808 116 m2, a partir de lo cual se obtuvo una lamina neta de 0.630 mm. Finalmente, para la Ev se empleó la formula empírica de L. Turc (Llamas, 1985), a partir de T = 13.35 °C y P = 839 mm, con lo que se obtuvo un valor 0.505 m año−1. Sustituyendo en la ecuación de balance general de recarga (1), se tiene: R = 1.12 − (0.063 + 0.505 + 0.250) = 0.302 m Con este valor de recarga se buscó una primera aproximación al modelo conceptual suponiendo una distribución homogénea de la recarga (zona blanca, Figura 3). Posteriormente este valor se sustituyó por las zonas de recarga generadas a partir de la simulación de SWAT realizada por Torres (2000)3, quien identificó diferentes unidades de respuesta hidrológica, cada una de las cuales responde a un balance particular donde interviene un conjunto de componentes entre los que destacan tipo de suelo, uso de suelo, pendiente y distribución diaria de la precipitación (Figura 4). Se puede ver que la distribución de las recargas es heterogénea con valores que varían de 0.103 m a 0.356 m, lo que genera un intervalo de error de −0.199 m a 0.054 m.

Celdas inactivas Condición GHB

Cauce principal simulado como río

Zonas de recarga (cuerpos de agua)

Zonas de recarga (lluvia) Pozos de bombeo Celdas inactivas

Condición CHD

Figura 3. Diseño de la cuadrícula para el modelo conceptual del acuífero. Figure 3. Grid map design of the conceptual model of the aquifer.

Condiciones iniciales y periodo de simulación Se utilizó como condición inicial la configuración observada en 1981, año en que se registró el último censo de aprovechamientos subterráneos, realizado por el Distritito de Desarrollo Rural 05 (DDR 05), Atlacomulco, Estado de México. El DDR 05 cuenta con registros piezométricos para algunos pozos desde 1970; sin embargo los higrógrafos generados a partir de dichos registros son inconsistentes, en algunos pozos por falta de datos, en otros por no definir si se registró el nivel estático o el dinámico, y en otros más por alternar datos de elevación y profundidad. Desde 1981 el DDR 05 ha intentado mantener un registro anual de los niveles estáticos; de 1981 a 1989 se monitorearon 17 pozos, de los cuales se eligieron ocho como pozos piloto por mostrar mayor consistencia en el tiempo, los que tuvieron una densidad media de 8 km2 por pozo. El comportamiento de los niveles piezométricos para los ocho pozos, incluido en cuatro de ellos la evolución del mismo desde 1970, se muestra en la Figura 5. Para el escenario de tendencia actual, los volúmenes de extracción se ajustaron a un incremento anual de 2.8% de extracción en cada uno de los 34 pozos estudiados, lo cual corresponde al incremento de la superficie incorporada a sistemas de riego, según la tendencia de crecimiento de este sector de 1980 a 1995 (CNA, 1996). Calibración y validación La calibración y validación se realizó en función de la elevación al nivel estático observada vs calculada en los pozos de 1981 a 1989. Durante la calibración se buscó el mayor ajuste posible para los datos de 1981 a 1984; posteriormente, y sin alterar las variables de ajuste, se corrió el modelo para obtener datos de validación de 1985 a 1989. Los valores obtenidos se mencionan en la seccion de resultados.

252

VOLUMEN 39, NÚMERO 3

where R = recharge value; P = precipitation; Ev = evapotranspiration from surface water storage; QS = surface runoff outside the zone. P is product of direct rainfalls on the zone (0.839 m) plus a component coming from the supply area (13.5 km2) which, assuming a runoff coefficient of 0.3, can be calculated as follows: [(13 500 000 m2 − 6 410 000 m2) × 0.839 m × 0.3] ÷ 6 410 000 m2 = 0.278 m Resulting P = 0.839 + 0.278 = 1.12 m year-1 Corrected runoff volume for QS was 16.44 hm3, considering an annual mean value of 20.71 hm3 (176.56 km2) at El Tejocote hydrometric station: QS = 16 440 000 m3 año−1 ÷ 64 100 000 m2 = 0.250 m año−1 For ECA it was considered a sheet of 3.99 mm d−1, which corresponds to the annual average evaporation reported for the type A tank at the Acambay station and a total exposed area (including streams, channels, and bodies of water) of 2 808 116 m2 were considered, from which a net sheet of 0.630 mm was obtained. Finally, for Ev the empirical formula of L.Turc (Llamas, 1985) was employed, starting from T = 13.35 °C and P = 839 mm obtaining a value of 0.505 m year−1. Substituting in the equation of general recharge balance (1), R = 1.12 −(0.063+0.505+0.250) = 0.302 m is obtained. With this recharge value, a first approximation to the conceptual model was intended, assuming a homogeneous distribution of recharge

ESTUDIO DE RESPUESTA HIDRODINÁMICA SIMULADA EN EL ACUÍFERO DEL VALLE DE ACAMBAY

Calibración Validación 2550 2545

304 †

276 356

290 318

285

264 323 103 240 150

304

Elevación al N. E. (m)

327

337 178 331

2540 2535 2530 2525 2520

273

2515 323

2510 1970

1974

1978

1982

1986

1990

Año −1

Figura 4. Distribución de la recarga (mm año ) generada a partir de datos del modelo hidrológico SWAT. Figure 4. Recharge distribution (mm year−1) generated from data of the hydrologic SWAT model.

Dado que existe mayor certidumbre en las componentes climatológicas e hidrológicas, las variables de ajuste para la calibración fueron las componentes hidrodinámicas del acuífero, básicamente conductividad y transmisividad. Elaboración de escenarios simulados Aunque la zona de estudio presenta continuos abatimientos debidos a la sobreexplotación del acuífero, el objetivo final no fue generar un plan integral de manejo de recursos, ya que ello requeriría sin duda estudios más completos sobre costos fijos y variables de la extracción, estudios de mercado y la disposición al cambio del sector social, lo cual excede los límites del presente trabajo. Aquí se presenta la evaluación de una herramienta que permita, en éste y otros acuíferos, integrar de manera global su comportamiento ante distintos regímenes de extracción. Por tanto, los escenarios planteados son teóricos, como medios para acentuar la capacidad de respuesta de los modelos SWAT-MODFLOW. Escenario I Tendencia actual: el cultivo es maíz para grano, con un incremento anual de 2.8%, según la tendencia de crecimiento del sector agrícola de 1980 a 1995 (CNA, 1996). Escenario II Conversión total a un cultivo de alta rentabilidad (cebolla bola). El requerimiento de riego es 830 mm. La superficie se incrementará

Pozo 27 Pozo 7

Pozo 5 Pozo 21

Pozo 19 Pozo 23

Pozo 28 Pozo 34

† N.E.: Nivel estático ❖ static level. Figura 5. Piezometría de los pozos pilotos en el acuífero Valle de Acambay. Figure 5. Piezometry of the pilot wells at the Acambay Valley aquifer.

(white zone, Figure 3). Subsequently, this value was replaced by the recharge zones, generated from the SWAT simulation, conducted by Torres (2000)3, who identified different units of hydrological response, each of which responds to a particular balance, where several components are involved, outstanding among them: soil type, soil use, hillside, and daily distribution of precipitation (Figure 4). It can be observed that the distribution of recharges is heterogeneous with values varying from 0.103 m to 0.356 m, which generates an error interval of −0.199 m to 0.054 m. Initial conditions and simulation period The configuration observed in 1981 was utilized as initial condition. In that year, the last census of ground water exploitation was registered, conducted by the Distrito de Desarrollo Rural 05 (District of Rural Development) (DDR 05), Atlacomulco, State of México. The DDR 05 has had piezometric registers for some wells since 1970; however, the hygrographs generated from said registers are inconsistent, in some cases for lack of data, in others, because it was not defined whether the static or the dynamic level was registered, and in others because of alternating data of elevation and depth. From 1981, DDR 05 has intended to keep an annual record of the static levels; from 1981 to 1989, seventeen wells were monitored, eight of which were chosen as pilot wells for showing greater consistency in time and they showed a mean density of 8 km2 per well. The response of piezometric levels for these eight wells, including the evolution since 1970 in four of them, is shown in Figure 5.

DOMÍNGUEZ-ACEVEDO et al.

253

AGROCIENCIA, MAYO-JUNIO 2005

anualmente de manera que en el lapso de modelación se alcance la superficie total del valle; el incremento anual será 9.25%. Escenario III

For the scenario of current tendency, the discharge volumes were adjusted to an annual increase of discharge by 2.8% in each of the 34 studied wells, which corresponds to the increase of the surface incorporated to irrigation systems according to the tendency of growth rate of this sector from 1980 to 1995 (CAN, 1996).

Conversión parcial a un cultivo de alta rentabilidad. La conversión se limitará a una porción de la superficie en función del comportamiento promedio del abatimiento. Escenario IV Conversión total a un cultivo de alta rentabilidad suponiendo una distribución espacial homogénea de los caudales de extracción. Se seguirán los mismos criterios del escenario II, pero el número y distribución de pozos se idealizará a una distribución uniforme en espacio y caudal. Se incrementarán a 50 pozos distribuidos en el área de estudio con un gasto igual, variando proporcionalmente en el tiempo para cubrir el incremento de superficie de 9.25% previsto en el escenario II.

Calibration and validation Calibration and validation were carried out according to the elevation to the static level observed vs. the calculated one in the wells from 1981 to 1989. During calibration, the greatest possible adjustment for the data 1981-1984 was sought; subsequently, and without altering the variables of adjustment, the model was run in order to obtain the validation data 1985-1989. The values obtained are mentioned in the section of results. Since there is greater certainty in the climatologic and hydrological components, the hydrodynamic components of the aquifer, basically conductivity and transmissibility were the variables of adjustment for calibration.

Escenario V

Elaboration of simulated scenarios

Escenario de equilibrio: se empleará un volumen de bombeo igual al de recarga media (302 mm año−1, equivalente a 18.12 hm3 sobre 6000 ha), el cual se destinaría al cultivo de cebolla (2183.13 ha) y el resto a maíz de temporal (3816 ha). Criterio para la evaluación Dados los objetivos del presente trabajo, no se consideró necesario realizar un ajuste para proyectar los precios a futuro, cuya variabilidad será proporcional entre cada escenario. Así mismo, en el análisis económico sólo se usaron los costos variables generados por el bombeo, mientras que los costos de producción se consideraron constantes en función del cultivo utilizado, según los datos reportados por FIRA (2002). Los precios de venta fueron los reportados por SAGARPA con datos generados por ASERCA (2003). La metodología para determinar el costo de bombeo como una función del N. E. se ajustó a partir de la reportada por Gutiérrez (1999)5, eliminando el concepto de amortización e intereses del capital invertido referido a los costos de perforación y equipamiento.

RESULTADOS La calibración se efectuó por el método de prueba y error para el periodo 1981-1984. Los valores finales de conductividad hidráulica para el acuífero principal y el freático fueron 7×10−5 y 5×10−5 m s−1, y una transmisividad de 186 m2 d−1, con un error que varió de 8% en 1981 a 9.2% en 1984. Para la validación, el modelo se corrió en régimen transitorio y el error se incrementó gradualmente hasta alcanzar 11% en 1989.

Although the zone of study presents continuous depletion due to overexploitation of the aquifer, the final objective was not the generation of a plan of integrated resource management; this, doubtlessly, would require more complete studies about fixed and variable discharge costs, market survey, and the readiness to face changes of the social sector, which surpasses the limits of the present study. What is presented in this paper is the evaluation of a tool, which may permit in this and other aquifers to globally integrate its performance, considering different discharge regimes. Therefore, the presented scenarios are theoretical, as means to emphasize the response capacity of SWAT-MODFLOW models. Scenario I Current tendency: the crop is grain corn with an annual increase by 2.8%, according to the growth rate of the agricultural sector from 1980 to 1995 (CAN, 1996). Scenario II Total conversion to a high-profitability crop (onion). Irrigation requirement is 830 mm. The surface will be increased yearly so that in the time of modeling the total area of the valley will be covered; annual increase will be 9.25%. Scenario III Partial conversion to a high-profitability crop. The conversion will be limited to a portion of the area according to the average depletion performance.

5 Gutiérrez, N. C. 1999. Aprovechamiento sustentable del acuífero del Valle de Querétaro. Tesis de Maestría, Colegio de Postgraduados. Montecillos, México. pp: 40-42.

254

VOLUMEN 39, NÚMERO 3

ESTUDIO DE RESPUESTA HIDRODINÁMICA SIMULADA EN EL ACUÍFERO DEL VALLE DE ACAMBAY

El modelo genera una gráfica de ajuste de valores observados vs calculados en los pozos piloto para cada año de registro; en la Figura 6 se muestran únicamente las gráficas de los años extremos de calibración (1981) y validación (1989). Una vez ajustados y fijados los valores conductividad y transmisividad se corrió el modelo considerando un valor global de recarga de 302 mm año−1, lo que equivaldría a una modelación tradicional que mostró una sobreestimación de los valores calculados, con errores para el mismo periodo de 14 a 19%. Para los costos de bombeo se consideró una eficiencia electromecánica de 40%, la cual es el promedio de vida útil del equipo (Gutierrez, 1999)5. Los costos de energía son los de la tarifa 09M para uso agrícola en el periodo 2002-2003 (CFE, 2003). Para este punto se consideró el volumen total de extracción de cada escenario. Los costos de energía eléctrica se presentan en el Cuadro 2. En la Figura 7 se muestra la evolución de cada escenario durante el periodo de simulación. El escenario V

2

Carga calculada

2560

R =0.965

2550

2540 0.5056 (m) 1.5084 (m) 7.1451 (%)

2530 2530

Carga calculada

2560

2540 2550 Carga observada

2550

2540 0.9060 (m) 2.5640 (m) 10.6833 (%) 2530

2540 2550 Carga observada

Total conversion to a high-profitability crop, assuming a homogeneous spatial distribution of the extraction volumes. The same criteria as in scenario II will be employed, but number and distribution of wells will be idealized to a uniform distribution in space and volume. There will be an increase up to 50 wells, spread over the area under study with equal discharge, varying proportionally in time to cover the increment of the area by 9.25% planned in scenario II. Scenario V Scenario of balance: A pumping volume equal to the mean recharge will be utilized (302 mm year−1, equivalent to 18.12 hm3 on 6000 ha) which would go to the onion crop (2183.13 ha), and the rest to rainfed corn (3816 ha). Evaluation criterion Regarding the objectives of the present study, it was not deemed necessary to make an adjustment for planning future prices, which variability will be proportional in each scenario. Likewise, in the economic analysis only the variable costs, generated by pumping, were taken into account, while the production costs were considered constant according to the utilized crop, according to the report by FIRA (2002). The selling prices were those reported by SAGARPA with data generated by ASERCA (2003). The methodology to determine the pumping cost as a function of the static level was adjusted, based on that reported by Gutiérrez (1999)5, eliminating the concept of recovery and interests of the invested capital referring to boring and equipment costs.

RESULTS

2560

R2=0.905

2530

Scenario IV

2560

Figura 6. Relación de carga observada vs calculada para la calibración (arriba) y validación (abajo). Figure 6. Relation between observed and calculated charge for calibration (above) and validation (below).

Calibration for the period 1981-1984 was made using the method of trial and error. The final values of hydraulic conductivity for the main and the phreatic aquifer were 7×10−5 and 5×10−5 m s−1, and transmissibility was 186 m2 d−1, with an error varying from 8% in 1981 to 9.2% in 1984. For validation, the model was run in transitory regime, and the error increased gradually until reaching 11% in 1989. The model generates an adjustment graph of observed vs. calculated values in the pilot wells for each of the years on record; in Figure 6 only the graphs of the extreme years of calibration (1981) and validation (1989) are shown. Once conductivity and transmissibility values adjusted and fixed, the model was run considering a global recharge value of 302 mm year−1, which would be equivalent to traditional modeling showing an overestimation of the calculated values with errors of 14-19% for the same period. For pumping costs an electro-mechanical efficiency of 40% was considered, which is the average service life of the equipment (Gutiérrez, 1999)5. Energy costs are

DOMÍNGUEZ-ACEVEDO et al.

255

AGROCIENCIA, MAYO-JUNIO 2005

CONCLUSIONES La integración del modelo hidrológico SWAT al modelo hidrodinámico MODFLOW permite reflejar de manera parcial el efecto de las condiciones superficiales sobre el acuífero del Valle de Acambay. La diferencia entre el error medio del modelo con valores de recarga simulada con SWAT y los valores globales permite apreciar directamente el beneficio de diferenciar los valores de recarga. Los escenarios simulados muestran que el comportamiento y respuesta de un acuífero no es función únicamente de los volúmenes de extracción, sino de su distribución espacial y volumétrica. Así, el escenario que supone un equilibrio en el acuífero permite mejorar las condiciones globales del régimen actual, el cual, pese a no reportar un beneficio general a los productores, continua deteriorando las condiciones ecológicas del acuífero. Por lo anterior, es necesario buscar un punto de equilibro entre una explotación racional del acuífero y los beneficios que pudiese proveer a los productores. El escenario II demuestra que aun cuando se implemente un cultivo de alta rentabilidad, el beneficio económico será mínimo considerando los elevados costos del bombeo. El escenario IV es importante porque permite

256

VOLUMEN 39, NÚMERO 3

Cuadro 2. Costos de operación (a tarifas de 2002) en millones de pesos. Table 2. Operation costs (2002 rates) in million pesos. Escenarios simulados Año

1982 1990 1998 2006

I

II

III

IV

V

1.8 3.98 5.19 6.77

1.8 6.19 14.55 40.44

1.8 6.19 9.86 10.28

1.29 3.64 6.24 11.22

1.72 1.72 1.72 1.72

09M electricity charges for agricultural use in the period 2002-2003 (CFE, 2003). As for the costs, the total extraction volume of each scenario was considered. The costs of electric energy are shown in Table 2. The evolution of each scenario during the simulation period is shown in Figure 7. Scenario V represents a theoretical condition of balance between recharge and discharge, for which the static level is constant in time. The extreme case is scenario II (total conversion of the crop area to onion), where an important decrease in piezometric elevations within the aquifer is observed (1.76 m year−1 on average). Scenarios III and IV have an intermediate performance (0.69 and 0.83 m year−1). A first analysis, not including economical factors, would allow to discard scenario II, considering the ecological damage caused to the aquifer. In Figure 8 it is shown that the scenarios with less profitability are the extreme cases (scenarios I and II), where the success of scenario II is limited because of the high pumping cost in relation to total costs and net profits, which can be corrected - as may be observed in scenario IV - with a redistribution of pumping, being this the optimal financial condition (scenario IV). This is a 2560 2550

Evaluación

representa una condición teórica de equilibrio entre recarga y descarga, por lo que el N.E. es constante en el tiempo. El caso extremo es el escenario II (conversión total de la superficie de cultivo a cebolla), donde se aprecia un decremento importante en las elevaciones piezométricas dentro del acuífero (1.76 m año−1 en promedio). Los escenarios III y IV tienen un comportamiento medio (0.69 y 0.83 m año−1). Un primer análisis, en el que no se incluyan factores económicos, permitiría descartar al escenario II en función del daño ecológico que genera al acuífero. En la Figura 8 se muestra que los escenarios con menor rentabilidad son los casos extremos (escenarios I y II), donde la causa que limita el éxito del escenario II es el alto costo por bombeo en relación con los costos totales y beneficios netos, lo cual, como se puede ver en el escenario IV, se puede corregir con una redistribución del bombeo pasando a ser la condición financiera óptima (escenario IV). Éste es un escenario teórico, ya que el costo real que significaría un reacomodo de pozos supera el beneficio reflejado en el presente trabajo. El escenario V muestra que se puede mejorar de manera significativa la situación financiera actual combinada con una condición de equilibrio en la explotación del acuífero, alcanzando una relación beneficio/costo global de 1.53, suponiendo que el total del agua bombeada sea empleada en un cultivo de alta rentabilidad y que el volumen total no supere al valor de recarga.

2540 2530 2520 2510

Tendencia actual Conversión total a cultivo de cebolla Conversión parcial a cultivo de cebolla Conversión total a cultivo de cebolla con distribución homogénea de extracciones Escenario de equilibrio Suspensión de bombeo

2500 1982 84 86 88 90 92 94 96 98 2002 02 04 06 08 10 Años

Figura 7. Relación de tiempo-carga para los escenarios planteados. Figure 7. Time-charge relationship for the stated scenarios.

ESTUDIO DE RESPUESTA HIDRODINÁMICA SIMULADA EN EL ACUÍFERO DEL VALLE DE ACAMBAY

Relación beneficio-costo

1.9

theoretical scenario, since the real cost, which would mean redistribution of wells, surpasses the benefit reflected in the present study. Scenario V shows that the current financial situation can be improved significantly, combined with a condition of equilibrium in the exploitation of the aquifer, and reach a global benefitcost relation of 1.53, assuming that the total of the pumped water be employed in a high-profitability crop and that the total volume not exceed the recharge value.

1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2

CONCLUSIONS

1.1 1.0

I

II

III Escenarios

IV

V

I

II

III Escenarios

IV

V

Relación beneficio-costo

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Figura 8. Relación beneficio-costo (arriba) y proporción de ganancias y costos (abajo). Figure 8. Benefit- cost relation (above) and profit-cost proportion (below).

apreciar que la condición de reubicación de pozos, así como la distribución de volúmenes extraídos, tiene un efecto importante en la respuesta de los niveles piezométricos, y aunque el reacomodo es irreal, brinda elementos para que en otras zonas de riego se atienda el criterio de distribución espacial. Se concluye que es importante considerar la variabilidad espacial de las condiciones superficiales y la variabilidad espacio temporal de los regímenes de extracción.

LITERATURA CITADA Abbott, M. B., J. C. Bathurst, J. A. Cunge, P. E. O’Connell, and J. Rasmussen. 1986. An introduction to the European hydrological system - Syste‘me Hydrologique Europe´en, “SHE”, 1. History and philosophy of a physically based, distributed modeling system. J. Hydrology 87: 45-59. Agrogeología, S. A. 1981. Estudio geohidrológico preliminar de los Valles de Atlacomulco-Ixtlahuaca, Estado de México. Biblioteca Central de la CNA. México. pp: 132-138 Arnold, J. G., Neitsch, S. L., and Williams, J. R. 1999. Soil and Water Assessment Tool User’s Manual. Version 99.2

The integration of the SWAT hydrologic model into the MODFLOW hydrodynamic model makes it possible to partly represent the effect of surface conditions on the Acambay Valley aquifer. The difference between the mean error of the model with recharge values simulated with SWAT and the global values, allows for appreciating directly the benefit of differentiating recharge values. The simulated scenarios show that performance and response of an aquifer are not only functions of discharge volumes, but also of its spatial and volumetric distribution. Thus, the scenario that involves balance in the aquifer permits to improve the global conditions of the current regime, which not only does not contribute general benefit to the producers, but moreover continues deteriorating the ecological conditions of the aquifer. Therefore, it is necessary to find the point of balance between a rational exploitation of the aquifer and the benefits it could provide for the producers. Scenario II proves that even if a highprofitability crop is grown, the economic benefit will be minimal, considering the high pumping costs. Scenario IV is important because it demonstrates that the rearrangement of wells, as well as the distribution of extracted water, has a considerable effect on the response of piezometric levels; even though rearrangement of wells is unfeasible, the model provides elements for other irrigation zones to attend the criterion of spatial distribution. It is concluded that spatial variability of surface conditions and the space-time variability of extraction regimes in aquifers should be considered. —End of the English version—




 ASERCA. 2003. Costos de producción. Disponible desde internet: en http://www.infoaserca.gob.mx, con acceso el 14-7-3. Bredehoeft, J. D. 2002. The water budget myth revised: why hydrogeologists model. Ground Water 40 (3): 340-345. Chávez, G. R. 1987. Geohidrología. Departamento de Irrigación, Universidad Autónoma Chapingo, Chapingo, México. pp: 7-9. CNA, 1996. Estudio de Simulación Hidrodinámica y Diseño Óptimo de la Red de Observación de los Acuíferos de Texcoco y Atlacomulco-Ixtlahuaca, Tomo II. CNA, México. pp: 51-54.

DOMÍNGUEZ-ACEVEDO et al.

257

AGROCIENCIA, MAYO-JUNIO 2005

CFE. Comisión Federal de Electricidad. 2003. Tarifas por consumo de energía. Disponible desde internet en http://www.cfe.gob.mx con acceso el 14-7-2003. FIRA. Fideicomisos Instituidos en Relación con la Agricultura. 2002. Costos de producción. Disponible desde internet en http:// www.fira.gob.mx/default.asp con acceso el 9-6-2003. Llamas, J. 1985. Hidrology Genéralé: Principes et Applicatiens. Ed. Gaëtan Morin Editur. Québeq, Canadá. 210 p.

258

VOLUMEN 39, NÚMERO 3

SIAS. 1998. Base de datos “Sistema de Información de Aguas Superficiales”. IMTA. Sophocleous, M., and S.P. Perkins. 2000. Methodology and application of combined watershed and ground-water models in Kansas. J. Hydrology 236: 185-201. UNITECNIA. 1996. Estudio de Diseño de Redes de Monitoreo en los Acuíferos del Valle de Toluca, en el Estado de México. Biblioteca Central de la CNA. México. pp: 76-80.