Análisis del funcionamiento hidrológico en cuencas con actividad minera con base en sistemas de flujo como eje integrador

Abstract

El funcionamiento hidrológico en cuencas con actividad minera (subterránea y a cielo abierto) es importante para conocer la eficiencia del sistema para retener recursos. El objetivo de esta tesis fue investigar la escorrentía y erosión, con base en sistemas fuente-sumidero, y a partir de aquí conocer la cobertura del suelo de parches e inter-parches, y usar este factor como parte del análisis multicriterio para mapear las zonas potenciales de recarga de agua subterránea desde el punto de vista de los sistemas de flujo, desde una perspectiva eco- hidrológica.

Las respuestas hidrológicas y de erosión de parches de vegetación e inter-parches en los diferentes tipos de vegetación (matorral desértico rosetófilo, matorral desértico micrófilo y matorral crassicaule) se compararon utilizando simulaciones de lluvia en pequeña escala (parcelas de 245 mm de diámetro) en dos microcuencas semi-áridas con actividad minera del centro de México: Cerro de San Pedro y Villa de la Paz. Se aplicó un promedio de intensidad de lluvia de 76.54 mm h–1 (DE=12.45mm h–1), la tasa y duración se asemejan a los eventos de tormentas naturales con un período de retorno de 10 años en las áreas de estudio. Se identificaron tres tipos de parches e inter-parches, de acuerdo con su capacidad para retener recursos: parches densos, parches de cobertura media e inter-parches. Los inter-parches produjeron más escorrentía y sedimento que los parches densos, lo que confirma que los parches e inter parches son unidades funcionales desde una perspectiva eco-hidrológica, con una influencia generalizada en las características hidrológicas del suelo, independientemente del tipo de vegetación. La menor cantidad de escorrentía y producción de sedimentos se relacionaron con altas coberturas de hojarasca, fragmentos de roca y menor densidad aparente del suelo.

Se utilizaron imágenes de satelitales de alta resolución (WorldView-2) y fotografías aéreas históricas para mapear la cobertura del suelo y evaluar sus cambios espacio-temporales en las dos zonas de estudio en diferentes periodos, Cerro de San Pedro 1970-2015 y Villa de la Paz 1983-2014. El uso de imágenes de alta resolución aumentó el detalle espacial (0.5 m) en comparación de la información histórica disponible. Se realizó un mapa de cobertura del suelo con una precisión del 85 % en Cerro de San Pedro y de 89 % en Villa de la Paz. Para cada zona de estudio se obtuvo una matriz de transición para conocer el cambio espacio- temporal de la cobertura de suelo de parches e inter-parches para dos fechas de estudio. En las fechas más recientes para las dos zonas de estudio la cobertura del suelo disminuyó. Las causas potenciales de esta disminución de la cobertura de suelo son los cambios de uso de suelo debido a la minería. Se evaluó la conectividad hidrológica usando el índice de conectividad (IC) y FlowLength. La conectividad medida con el índice de conectividad IC fue mayor para 2015 que para 1970 en Cerro de San Pedro y mayor en 2014 que en 1983 para Villa de la Paz. El promedio de la longitud de flujo medido con FlowLength fue mayor en 2015 y 2014, respectivamente.

A partir del conocimiento de los sistemas de flujo de las zonas de estudio y de percepción remota (PR) y sistemas de información geográfica (SIG), se realizó un análisis multicriterio considerando diversos factores que influyen en la recarga de agua subterránea, dentro de estos factores se incluyó el mapa de la cobertura de suelo de parches e inter-parches. En el cálculo de los pesos de cada capa analizada resultó que la cobertura de suelo de parches e inter-parches, la pendiente y la geología son los de mayor peso y por tanto tienen mayor influencia en el análisis. Los resultados mostraron que tanto para Cerro de San Pedro como para Villa de la Paz las zonas potenciales de recarga de agua subterránea son la parte baja de las cuencas donde se encuentran aluvión y conglomerado polimíctico, las pendientes más bajas y donde el uso de suelo es la producción de cosechas. En Cerro de San Pedro es agricultura de temporal y riego y en Villa de la Paz únicamente de temporal.

Hydrological functioning in catchments with mining activity (underground and open pit) is not well understood in semi-arid zones of Mexico. The objective of this thesis was to investigate runoff and erosion on ecohydrological source-sink systems and the cover of patches and inter-patches and to use this factor as part of a multicriteria analysis to map potential groundwater recharge zones from the point of view of flow systems.

The hydrological and erosional responses of vegetation patches and inter-patches in three different types of vegetation (rosetophilous desert shrubland, microphyllous desert shrubland and crassicaulescent shrubland) were compared using small-scale rainfall simulation (245 mm diameter plots) in two semi-arid catchments with mining activity in central of Mexico, Cerro de San Pedro and Villa de la Paz. An average rainfall intensity of 76.54 mm h-1 was applied (SE = 12.45mm h-1); the rate and duration are similar to the events of natural storms with a return period of 10 years in the study areas. Three types of patches and inter-patches were defined according to their capacity to retain resources, from high to low retention capacity: dense patches, medium coverage patches and inter-patches. Inter-patches produced highest runoff and sediment, while dense patches produced the least, which confirms that the patches and inter patches are functional units from an eco-hydrological perspective regardless of the vegetation type. Low runoff and sediment production were related to high litter cover, stone fragments and low soil bulk density.

High resolution satellite images and historical aerial photographs were used to map land cover and evaluate its spatial-temporal changes in the two study zones in different periods, Cerro de San Pedro (1970-2015) and Villa de la Paz (1983-2014). The use of images at the high-resolution WorldView-2 increased the spatial detail (0.5 m) compared to the available

historical information. A map of ground cover was made with an accuracy of 85% in Cerro de San Pedro and 89% in Villa de la Paz. For each study area, a transition matrix was obtained to know the spatio-temporal change of patches and inter-patch cover. In the most recent dates for the two study areas, ground cover decreased. The potential causes of the increase in ground cover were greater changes in land use due to mining. Hydrological connectivity was evaluated using the connectivity index (CI) and FlowLength. Hydrological connectivity measured with the IC connectivity index was higher for 2015 than for 1970 in Cerro de San Pedro and higher in 2014 than in 1983 for Villa de la Paz. The average flow length measured with FlowLength was higher in 2015 and 2014, respectively.

From the knowledge of the flow systems of the study areas and remote sensing (RS) and geographic information systems (GIS), a multi-criteria analysis was carried out considering various factors that influence the groundwater recharge, within these factors the map of ground cover of patches was included and inter-patches. In the calculation of the weights of each layer analyzed, it turned out that the geology and the ground coverage of patches and inter-patches are the heaviest and therefore have the greatest influence in the analysis. The results showed that for both Cerro de San Pedro and Villa de la Paz the potential groundwater recharge zones are the lower part of the catchments where alluvium and polymictic conglomerate are found, the lower slopes and where the land use is the agriculture. In Cerro de San Pedro is seasonal agriculture and irrigation and in Villa de la Paz only temporary.