1.  INTRODUCCIÓN

Las cuencas de agua subterránea en las regiones áridas y semiáridas se recargan mediante la infiltración a medida que el flujo pasa a través de arroyos efímeros. En muchos casos, la infiltración en los canales puede ser un componente importante de la recarga total. Este último consiste en lo siguiente: (1) recarga horizontal por entrada de agua subterránea, (2) recarga vertical por infiltración sobre el terreno, y (3) recarga vertical por infiltración en los arroyos. El componente de infiltración en los arroyos se denomina comúnmente "pérdidas por transmisión" (Soil Conservation Service, 1985).

En este artículo, usamos un modelo de cuenca capaz de generar y combinar hidrogramas, enrutamiento en los canales, y abstracción en canales para calcular la recarga de agua subterránea en la cuenca El Barbón, en Baja California, México. Esta cuenca es ideal por las siguientes razones:

1. El clima varía de semiárido en los tramos superiores a árido en los tramos inferiores.

2. La cuenca tiene una red muy bien definida de arroyos efímeros.

3. Los valles inferiores están rodeados de terreno montañoso por todos lados.

4. La salida de la cuenca se encuentra en la misma ubicación geográfica para las aguas superficiales y subterráneas.

5. Existe una interacción importante entre las aguas superficiales y subterráneas.

El objetivo de este estudio es estimar, utilizando un modelo hidrológico distribuido, el componente de infiltración de la recarga total en los cauces, para tormentas seleccionadas, basado en frecuencias que varían desde 2 años hasta 100 años. Es de esperar que una vez que se reconozca la magnitud de la infiltración en los cauces, se fomente el uso conjunto de los recursos hídricos superficiales y subterráneos en la cuenca.

El acuífero de Ojos Negros está actualmente sujeto a un abatimiento medio de 0.32 m año^-1 (Beltrán, 1997). Si el abatimiento continúa, eventualmente la actividad agrícola en el valle podría ser afectada. Por lo tanto, es necesario buscar formas alternativas de aumentar la recarga del acuífero, de modo que las demandas de riego se puedan satisfacer sin que aumente el abatimiento.

2.  LOS VALLES DE OJOS NEGROS Y REAL DEL CASTILLO VIEJO

Ojos Negros y Real del Castillo Viejo son dos valles vecinos ubicados en el estado de Baja California, México, aproximadamente a 40 km al este de la ciudad de la Ensenada (Fig. 1). Abarcan un área de 165 km² y están totalmente contenidos dentro de la cuenca del arroyo El Barbón, que drena la Sierra Juárez hacia el este. La cuenca de El Barbón se encuentra entre los 31°51′ y 32°11′ de Latitud Norte, y los 115°52′ y 116°23′ de Longitud Oeste. La elevación varía entre 1820 m en las cabeceras y 590 m en la desembocadura de la cuenca.

Fig. 1  Ubicación geográfica de la cuenca del arroyo El Barbón.

El arroyo El Barbón se origina en la cercanía de la Laguna Hanson, la cual, a una altura de 1620 m, es el único lago natural de agua dulce en el estado de Baja California. A medida que fluye por la Sierra Juárez, el arroyo recibe los aportes de varios afluentes, entre ellos, Los Barrancos y El Ranchito. Posteriormente, al ingresar al valle de Ojos Negros, se extiende a un cauce efímero de arena, el cual es ancho y poco profundo.

Después de atravesar los valles de Ojos Negros y Real del Castillo Viejo, durante unos 38 km, el arroyo de El Barbón sale por un cañón muy estrecho, el cual actúa como control geológico, a una distancia de 3 km de Real del Castillo Viejo. En el cañón, la cuenca tiene un área de drenaje de 1094 km². Durante tormentas poco frecuentes, una parte importante de la escorrentía superficial es extraída mediante la infiltración en los cauces fluviales de estos dos valles.

El clima de la cuenca del Barbón varía de semiárido a árido, mientras que el de los valles de Ojos Negros y Real del Castillo Viejo es predominantemente árido. En las porciones montañosas de la cuenca, la precipitación media anual es de 475 mm, según datos de 15 años en San Juan de Dios Norte (1970-84). En los valles bajos, la precipitación media anual es de 250 mm, basada en un promedio de 25 años en Ojos Negros (1970-94). La precipitación media anual para la cuenca de El Barbón en su conjunto se estima en unos 440 mm, lo que equivale a un suministro de humedad anual de 480 × 10⁶ m³.

La vegetación predominante en la cuenca es el chaparral en las elevaciones inferiores e intermedias (600-1600 m) y el pinar siempre verde en las elevaciones superiores (1600-1800 m). El uso predominante del suelo es el pasto, excepto en los valles, donde se practica la agricultura intensiva. Las actividades agrícolas están totalmente apoyadas por el bombeo de aguas subterráneas.

A la fecha, la cuenca de El Barbón permanece sin aforo. Se estima que el coeficiente de escorrentía anual es de aproximadamente 0.1, a juzgar por los datos de cuencas vecinas de características climatológicas, fisiográficas y vegetativas similares, lo que equivale a una escorrentía media anual de 48 × 10⁶ m³. Sin embargo, esta estimación regional podría reducirse sustancialmente si se considera que las extracciones en los cauces fluviales son considerables.

3.  RESUMEN DE RECURSOS DE AGUAS SUBTERRÁNEAS

La cuenca de agua subterránea del valle de Ojos Negros tiene forma de cuenco, llenando una depresión tectónica con un área de 113 km². El acuífero propiamente dicho, compuesto principalmente de arenas y gravas, tiene un área de 49.7 km² (Beltrán, 1997).

La elevación del nivel freático varía de 676 a 729 m. El espesor del acuífero varía de 14.5 a 216 m, con una media de 78.2 m. La transmisividad y el coeficiente de almacenamiento son 0.0091 m² s^-1 y 0.1, respectivamente. El volumen total de almacenamiento del acuífero es 390 × 10⁶ m³.

La recarga del acuífero es 18.6 × 10⁶ m³ año^-1, de los cuales 12.2 × 10⁶ m³ año^-1 corresponde a la recarga horizontal (+), 6.8 × 10⁶ m³ año^-1 para la recarga vertical (+), y 0.4 × 10⁶ m³ año^-1 para la descarga horizontal (-). La recarga y descarga horizontal se realiza a través de flujos subterráneos; la recarga vertical consiste de infiltración en la superficie del terreno y los cauces fluviales. La extracción por bombeo se ha medido en 25.1 × 10⁶ m³ año^-1. Por lo tanto, la sobreexplotación del acuífero asciende a 6.5 × 10⁶ m³ año^-1, lo que equivalente a 0.32 m año^-1 (Beltrán, 1997).

4.   MODELO HIDROLÓGICO DE CUENCA

El modelo RAINFLO se utilizó para simular eventos seleccionados de lluvia-escorrentía en la cuenca de El Barbón (Ponce et al., 1985). RAINFLO es un modelo de lluvia-escorrentía de eventos distribuidos que tiene las siguientes características:

1. La cuenca se subdivide en: (1) subcuencas de cabecera, en las cuales la escorrentía es principalmente por flujo superficial, y (2) subcuencas de tramo, en la cual la escorrentía es principalmente por flujo en los cauces fluviales. Las subcuencas de tramo se identifican mediante números topológicos de cinco dígitos; las subcuencas de cabeceras se numeran secuencialmente en orden de número topológico ascendente de la subcuenca de tramo aguas abajo más cercana (Ponce et al., 1985).

2. Los eventos de precipitación se expresan en términos de profundidad-duración-frecuencia (Ponce, 1989).

3. El método del número de la curva SCS se utiliza para abstraer el hietograma de precipitación total, convirtiéndolo en el hietograma de precipitación efectiva (Soil Conservation Service, 1984).

4. El hidrograma unitario sintético SCS, aplicable a cuencas medianas, similares a las consideradas aquí (Soil Conservation Service, 1985; Ponce, 1989).

5. La convolución del hidrograma unitario sintético SCS con el hietograma de precipitación efectiva, para calcular un hidrograma de avenida para cada subcuenca de la red de arroyos (Chow et al., 1988).

6. Topología generalizada, la cual permite la combinación automática de flujos en las confluencias de la red basándose en base a un conjunto de números topológicos (Ponce et al., 1985).

7. Enrutamiento del flujo utilizando el método de Muskingum-Cunge de parámetro variable, un método no lineal de enrutamiento de ondas difusivas, el cual iguala las difusividades físicas y numéricas (Cunge, 1969; Ponce y Yevjevich, 1978).

8. Pérdidas de transmisión utilizando una velocidad de infiltración promedio (Matlock, 1965; Ponce et al., 1985).

9. Cálculo de profundidades utilizando curvas de gasto correspondientes al flujo permanente (Chow, 1959).

Las características importantes del modelo aquí utilizado son: (1) estructura topológica avanzada, que permite la combinación de hidrogramas en las intersecciones de la red, independientemente de la complejidad de esta última; (2) enrutamiento Muskingum-Cunge de parámetros variables; y (3) capacidad para la abstracción por infiltración en los cauces fluviales.

Estas características lo hacen particularmente aplicable al modelado distribuido de cuencas hidrográficas en zonas áridas/semiáridas como la que se considera en este artículo.

5.  APLICACIÓN DEL MODELO

El primer paso en la aplicación del modelo es delinear el límite de la cuenca, examinar la red de arroyos y establecer el conjunto de números topológicos. Un examen cuidadoso de la red de cuencas/arroyos llevó a la elección de ocho subcuencas de cabecera y quince subcuencas de tramo. Las áreas de las subcuencas, las longitudes hidráulicas, las longitudes de tramo y las pendientes de los arroyos se midieron utilizando mapas a escala 1:50000. Los números de las curvas, las secciones representativas de los canales y los coeficientes de fricción de Manning se determinaron en base a estudios de campo. Los coeficientes de Manning se estimaron entre 0.025 y 0.060 en los cauces de los arroyos, y 0.035 y 0.080 en las áreas de las llanuras.

La Figura 2 muestra la topología de la red de arroyos de la cuenca del arroyo El Barbón. Los números de cinco dígitos identifican las subcuencas de tramo. El primer dígito representa el orden de los canales, los dos dígitos del medio representan el número de canal y los dos últimos dígitos representan el número de tramos. La cuenca del arroyo El Barbón es de tercer orden: Hay dos canales de primer orden, cinco canales de segundo orden, y un canal de tercer orden. Además, hay tres tramos en el canal de segundo orden, y seis tramos en el canal de tercer orden. Las subcuencas de cabecera se identifican con un dígito y se ordenan por número topológico ascendente. La Tabla 1 muestra las características hidrológicas de las subcuencas de cabecera y de tramo.

Fig. 2   Topología de la red de arroyos de la cuenca El Barbón.

Tabla 1.  Características hidrológicas de tierras altas y tramos de las subcuencas.

Los datos de precipitación (período de retorno de 10, 25 y 50 años) se obtuvieron de los informes oficiales del gobierno (Secretaria de Comunicaciones y Transportes, 1990). Se eligió una duración de tormenta de 4 horas para que coincidiera con el área de la cuenca. Las profundidades de tormenta para otras frecuencias (2, 50 y 100 años) se obtuvieron del condado de San Diego (California) (Condado de San Diego, 1985). La condición de humedad antecedente (AMC) varió entre 2.0 y 3.0 en función del período de retorno (Condado de San Diego, 1985; Ponce, 1989).

La velocidad de infiltración del canal, utilizada para calcular las pérdidas de transmisión, se fijó en 0.000044 m s^-1. Este valor es aplicable a arroyos efímeros en el suroeste de los Estados Unidos (Matlock, 1965; Ponce et al., 1985). El valor seleccionado está de acuerdo con la práctica de SCS, que recomienda un valor superior a 0.000035 m s^-1 para grava muy limpia y arena gruesa, similar al material del lecho de El Barbón Wash (Soil Conservation Service, 1985).

6.  RESULTADOS DEL MODELO

Se realizaron seis corridas con el modelo RAINFLO, variando el período de retorno y la profundidad de tormenta correspondiente. La Tabla 2 muestra los resultados de las simulaciones. Las Columnas 1 a 4 muestran el período de retorno, profundidad de la tormenta, duración de la tormenta, y condición de humedad antecedente, respectivamente. La Columna 5 muestra el volumen total de escorrentía directa, calculado mediante la integración de los hidrogramas de avenida de las subcuencas de cabecera y de tramo. La Columna 6 muestra el volumen de escorrentía directa a la salida de la cuenca, calculado integrando el hidrograma de salida. La Columna 7 muestra la recarga de agua subterránea por infiltración en el cauce, calculada restando la Columna 6 de la Columna 5.

Tabla 2.  Resultados de la simulación por computadora.

Se observa que el volumen de infiltración en el cauce, para un evento, aumenta con el período de retorno, de 0.94 × 10⁶ m³ para una inundación de 2 años, a 2.65 × 10⁶ m³ para una inundación de 100 años. Es decir, es probable que las tormentas poco frecuentes, de un período de retorno de 2 a 100 años, recarguen el agua subterránea en cantidades que varían del 14% al 39% de la recarga vertical anual media de la cuenca de Ojos Negros. Estos porcentajes corresponden a tormentas basadas en frecuencia; por lo tanto, son sólo una indicación de la cantidad que podría recargarse anualmente. Sin embargo, los resultados del modelo muestran que las tormentas poco frecuentes son fuentes importantes de recarga de agua subterránea en cuencas áridas/semiáridas con valles bajos comparativamente extensos.

7.  RESUMEN Y CONCLUSIONES

Este trabajo utiliza un modelo distribuido de cuenca con capacidad tanto para el enrutamiento no lineal en canales, como para la abstracción en cauces, para calcular la recarga de agua subterránea por infiltración en los cauces de la cuenca El Barbón, en Baja California, México. La cuenca drena la Cordillera de la Sierra Juárez hacia el Este, comprendiendo 1094 km², incluyendo los valles de Ojos Negros y Real del Castillo Viejo en sus tramos inferiores. Un balance de masa del acuífero de Ojos Negros ha determinado que la recarga es 18.6 × 10⁶ m³ año^-1 y el uso de agua subterránea es 25.1 × 10⁶ m³ año^-1. La sobreexplotación de 6.5 × 10⁶ m³ año^-1 (26%) pone en riesgo la sostenibilidad de la agricultura de regadío en el valle. El modelado de cuencas muestra que las tormentas poco frecuentes de un período de retorno de 2 a 100 años pueden contribuir del 14% al 39% de la recarga vertical media anual del acuífero de Ojos Negros.

Por lo tanto, las tormentas poco frecuentes son fuentes sustanciales de recarga de aguas subterráneas en cuencas como El Barbón, ubicadas en regiones áridas y semiáridas, y con valles comparativamente extensos.

AGRADECIMIENTOS

El presente estudio se realizó en el otoño de 1997, mientras R.P. Pandey y S. Kumar residían en la Universidad Estatal de San Diego, California, con licencia del Instituto Nacional de Hidrología, Roorkee, India. Su licencia fue financiada por el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo.

BIBLIOGRAFÍA

Beltrán, L. 1997. Actualización hidrogeológica del valle de Ojos Negros, Baja California, Comisión Nacional del Agua, Ensenada, México.

Chow, V. T. 1959. Open-channel hydraulics. McGraw-Hill, New York.

Chow, V. T., D. R. Maidment, y L. W. Mays. 1988. Applied hydrology. McGraw-Hill, New York.

County of San Diego. 1985. Hydrology Manual, California.

Cunge, J. A., 1969. On the subject of a flood propagation computation method (Muskingum method). Journal of Hydraulic Research 7 (2), 205-230.

Matlock, W. G., 1965. The effect of silt-laden water on infiltration in alluvial channels. Ph.D. Thesis. University of Arizona, Tueson, Arizona.

Ponce, V. M. 1989. Engineering Hydrology, Principles and Practices, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ.

Ponce, V. M., y V. Yevjevich. 1978. Muskingum-Cunge method with variable parameters. Journal of the Hydraulics Division, ASCE 104 (HY12), 1663-1667.

Ponce, V. M., Z., Osmolski, y D. Smutzer. 1985. Large basin deterministic hydrology: A case study. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 111 (9), 1227-1245.

Secretaria de Comunicaciones y Transportes. 1990. Isohyetas de intensidad-duración-frecuencia, República Mexicana (Isohyets of intensity-duration-frequency, Mexico) (in Spanish).

Soil Conservation Service, 1985. National Engineering Handbook. Sectinon 4: Hydrology USDA Soil Conservation Service, Washington, DC.