Caracterización espacio-temporal de los asentamientos diferenciales del terreno a partir de un modelo Geomecánico Tridimensional

Abstract

La sobreexplotación de sistemas acuíferos refiere a una problemática alrededor del mundo que se relaciona estrechamente con el crecimiento demográfico, la mayor demanda hídrica y el cambio climático. En este contexto, el aumento en las tasas de extracción conlleva a descensos piezométricos locales y regionales, así como desplazamientos del terreno asociados principalmente a la dinámica de extracción. En el Valle de Toluca, el uso de agua subterránea se remonta a inicios de 1950, cuando la primera fase del Sistema Lerma comenzó operaciones. Posteriormente, los aprovechamientos subterráneos han sido destinados para fines locales (agrícolas, domésticos, industriales, etc.) y para trasvase a la ciudad de México. A través de multipiezómetros han sido registrados los descensos piezométricos resaltando los conos de abatimiento del corredor industrial principalmente y colonias como San Pedro y Santa María Totoltepec. Adicionalmente, múltiples fracturas han sido cartografiadas con direcciones preferenciales variadas. El objetivo principal de esta investigación consistió en analizar el comportamiento evolutivo espacial de los desplazamientos horizontales y verticales en las zonas que presentan altas tasas anuales de subsidencia, teniendo como referencia un modelo geomecánico de deformación tridimensional basado en los gradientes de presión de poro como una fuente de esfuerzo. Para ello se plantearon objetivos específicos que incluyen la reinterpretación de un modelo geológico estructural con base en nueva información litológica, la estimación espacio-temporal de recarga potencial y la ejecución de modelos numéricos de flujo/deformación. En el modelo geológico tridimensional resalta la irregularidad de los estratos profundos de rocas rígidas como andesitas y basaltos, especialmente los que subyacen el centro de Toluca y la colonia de San Pedro Totoltepec. Los estratos arcillosos se concentran al sur de la cuenca, en el corredor industrial y hacia la conexión con la cuenca de Ixtlahuaca. La piezometría se evaluó preliminarmente por kriging ordinario para los años de 1975, 1984, 1994, 2004, 2015 y 2018. La isopiezas de 1975 y 1984 replican en general, un flujo regional con recarga en la Sierra de las Cruces y el volcán Nevado de Toluca, reflejando un sistema con poca perturbación por extracción de agua. Posterior a 1994, las isopiezas muestran conos de abatimiento principalmente en el corredor industrial, condición que perdura hasta el análisis de 2018. La combinación de factores geológicos, tales como los domos andesíticos, los altos espesores de arcillas y los focos de extracción coinciden con la ubicación de fracturas en el Valle de Toluca. En la estimación de la recarga potencial se analizó la distribución espacial y temporal utilizando como valores de entrada climatología diaria, variables edafológicas y datos de cambio de uso del suelo durante el periodo de 1980 al 2050. Las tasas de recarga de la cuenca iv fluctúan a efectos de la pluviometría y la modificación del uso del suelo principalmente. A este respecto, el volumen promedio histórico de recarga potencial para el lapso de 1980 al 2020 es de 369.5 Mm3, que se ubica en el rango promedio reportado en estudios previos. En la proyección de la recarga potencial se combina una disminución general en la precipitación y un incremento en la superficie urbana, de acuerdo con predicciones de cambio climático y crecimiento demográfico para el centro de México. Los resultados marcan un descenso en la recarga de 16.59%, 19.99% y 22.61% para el mejor, moderado y peor caso respectivamente. La dinámica de flujo subterráneo se analizó por modelos numéricos estacionario y transitorios para el periodo de 1960 a 2018. El modelo quasi estacionario de 1960 cuenta con 75 pozos de extracción pertenecientes a la primera fase del Sistema Lerma, una recarga vertical derivada del modelo de balance de humedad del suelo, y una recarga lateral especificada como carga constante. La comparación de elevaciones al nivel estático simuladas y medidas en multipiezómetros muestra un buen ajuste y un RMSE de 7.74. Las isopiezas demuestran la recarga incidente en la Sierra de las Cruces y el Nevado de Toluca, para dirigirse posteriormente al norte hacia la cuenca de Ixtlahuaca. El balance hídrico presenta ingresos de 123.19 Mm3/año en el flanco del Nevado de Toluca, 112.88 Mm3/año en la Sierra de las Cruces, 11.98 Mm3/año por la Sierra de Morelos. Las salidas las caracteriza el río Lerma, la Laguna de Almoloya, la conexión a Ixtlahuaca y la extracción local con 158.98 Mm3/año, 31.96 Mm3/año, 4.56 Mm3/año y 102.08 Mm3/año respectivamente. La fase transitoria se evaluó a través del plug-in hidrogeomecánico PiHMC de la suite FEFLOW, cuya característica principal es la evaluación de los parámetros hidráulicos y mecánicos en función de los esfuerzos efectivos. La evolución piezométrica y de deformación de la cuenca durante 1961 a 2018 se evaluó en seis periodos de estrés de acuerdo con los registros piezométricos y censos de extracción. Las simulaciones numéricas denotan el aumento en extracción local y de trasvase específicamente en el corredor industrial y en el sureste de la cuenca donde se concentran la mayor cantidad de pozos. El nivel de abatimiento en tales zonas ronda los 60 m. En el mismo contexto, la operación del Sistema Lerma induce descensos piezométricos importantes al sureste y este de la cuenca. Los valores de subsidencia acumulada rondan los 175 cm para el corredor industrial y colonias aledañas. La simulación de escenarios probables para el año 2050, refieren el mayor abatimiento en el corredor industrial y colonias cercanas. En el caso más favorecedor se acumula un abatimiento máximo de 80 m, para el caso promedio es de 100 m y 120 m para el caso más desfavorable. En el caso de la subsidencia, el caso promedio de variables resulta en un desplazamiento máximo acumulado de 2 m en zonas aledañas a Lerma en el lapso de 1960 a 2050. Para el peor escenario de aumento de 20% y 10% para la extracción local y de trasvase respectivamente, se alcanzan 2.51 m de hundimiento.