Modelación hidrogeológica y caracterización química del agua en el Sistema Acuífero de la Cuenca Independencia, Guanajuato

Abstract

"La presente investigación se enfoca en analizar cómo la distribución y composición de las unidades hidrogeológicas del Sistema Acuífero de la Cuenca Independencia, localizado en Guanajuato, determinan su funcionamiento hidrodinámico e hidrogeoquímico. La metodología empleada incluyó tanto análisis cualitativos como cuantitativos. Se generó un modelo conceptual basado en la interpretación hidrogeológica de cinco perfiles de resistividad eléctrica, datos piezométricos e hidráulicos para el periodo 2015 – 2021. En cuanto al análisis cuantitativo se emplearon modelos matemáticos (modelación numérica con MODFLOW y ajustes por Mínimos Cuadrados) como herramientas para simular la hidrodinámica actual y futura siguiendo la misma tendencia. Además, se realizó la caracterización química del agua para identificar los principales procesos hidrogeoquímicos. Los resultados obtenidos ofrecen una comprensión integral del funcionamiento hidrodinámico e hidrogeoquímico del sistema acuífero. La distribución de las unidades hidrogeológicas está definida por las estructuras tectónicas, con los mayores espesores localizados al centro de la cuenca, aproximadamente de 1800 m. Así mismo, se determinaron resistividades de 10 a 28 y de 10 a 39 Ωm para las unidades que conforman al acuífero fracturado y granular respectivamente. Las calibraciones para el modelo en MODFLOW, tanto en régimen estacionario (año 2015) como en transitorio (años 2016-2021), presentaron coincidencias razonables entre las cargas hidráulicas calculadas y observadas (r > 0.98; NSE > 0.95; RMSE < 12.39 m; SEE < 1.67 m). El sistema acuífero tuvo un carácter de no disponibilidad de acuerdo con el balance de masas. Por otra parte, seis modelos no lineales se ajustaron eficientemente (R2 > 90%) a los datos piezométricos de los pozos de observación. Los abatimientos predichos por MODFLOW fueron de 1 a 20 m y de 2 a 40 m, mientras que por Mínimos Cuadrados fueron de 0.12 a 14 m y de 0.7 a 31 m para los años 2026 y 2032, respectivamente. Estas metodologías fueron estadísticamente equiparables, lo cual se determinó al comparar ambas estrategias mediante un modelo de regresión lineal no paramétrico, y evaluar los intervalos de confianza de los parámetros de la regresión (β0=0, IC95; β1=1, IC95). La predicción de abatimiento en el acuífero granular para años remotos permitió observar un descenso seccionado en el sistema. Se identificaron dos tipos principales de agua subterránea: 1) bicarbonatada cálcica (Ca - HCO3) asociada al acuífero granular, y 2) bicarbonatada sódica (Na - HCO3) correspondiente al acuífero fracturado. Además, se determinaron procesos hidrogeoquímicos como intercambio iónico, meteorización de silicatos, disolución de carbonatos y mezclas. Estas últimas desde el acuífero fracturado al granular, originadas por el sobre bombeo y la conexión hidráulica entre ellos, resultando en una predominancia del tipo de agua Na - HCO3. En general, el Sistema Acuífero de la Cuenca Independencia ha presentado descensos lentos, heterogéneos y constantes desde el inicio de su explotación. Esto ha generado conos de abatimientos considerables, especialmente al centro de la cuenca donde se encuentran los mayores espesores del sistema acuífero y son más evidentes las mezclas. Por lo anterior, y aunado a las predicciones desfavorables para los años futuros, se plantea la necesidad de desarrollar estrategias para la planificación y gestión del recurso hídrico en la zona."

"The present research focuses on analyzing how the distribution and composition of the hydrogeological units of the Independence Basin Aquifer System, located in Guanajuato, determine its hydrodynamic and hydrogeochemical functioning. The methodology employed included both qualitative and quantitative analyses. A conceptual model was developed based on the hydrogeological interpretation of five electrical resistivity profiles, piezometric and hydraulic data for the period 2015 - 2021. Regarding quantitative analysis, mathematical models (numerical modelling with MODFLOW and least square adjustments) were employed as tools to simulate the current and future hydrodynamics following the same trend. In addition, chemical characterization of the water was conducted to identify the main hydrogeochemical processes. The results obtained provide a comprehensive understanding of the hydrodynamic and hydrogeochemical functioning of the aquifer system. The distribution of the hydrogeological units is defined by tectonic structures, with the thickest layers located in the center of the basin, approximately 1800 m thick. Resistivities of 10 to 28 and 10 to 39 Ωm were determined for the units comprising the fractured and granular aquifer, respectively. Calibration for the MODFLOW model, both in steady-state (year 2015) and transient (years 2016 - 2021) regimes, showed a reasonable match between calculated and observed hydraulic head values (r > 0.98; NSE > 0.95; RMSE < 12.39 m; SEE < 1.67 m). The aquifer system exhibited non-availability characteristics according to the mass balance. On the other hand, six nonlinear models efficiently fitted (R2 = 90%) to the piezometric data from observation wells. The predicted drawdowns by MODFLOW ranged from 1 to 20 m and from 2 to 40 m, while for least squares were from 0.12 to 14 m and from 0.7 to 31 m for the years 2026 and 2032, respectively. These methodologies were statistically comparable, as determined by comparing both strategies through a non-parametric linear regression model and evaluating the confidence intervals of the regression parameters (β0=0, IC95; β1=1, IC95). The prediction of levels in the granular aquifer for remote years allowed for the observation of a sectional drawdown in the system. Two main types of groundwater were identified: 1) calcium bicarbonate (Ca - HCO3) associated with the granular aquifer, and 2) sodium bicarbonate (Na - HCO3) corresponding to the fractured aquifer. Additionally, hydrogeochemical processes such as ion exchange, silicate weathering, carbonate dissolution, and mixing were determined. The latter, from the fracture to granular aquifer, was caused by the over-pumping and hydraulic connection between them, resulting in a predominance of Na - HCO3 water type. Overall, the Independence Basin Aquifer System has experienced slow, heterogeneous, and constant drawdown since the beginning of its exploitation. This has led to significant drawdown cones, especially in the center of the basin where the thickest aquifer layers are located, and mixing is more evident. Therefore, given the unfavorable predictions for future years, there is a need to develop strategies for planning and management the water resource in the area."