Priorización de fuentes de abastecimiento de agua subterránea para su protección en una región minera del centro de México
Prioritization of groundwater supply sources for protection in a mining region of central Mexico
Arianna Valle González1, José Luis Expósito Castillo1,*, Miguel Ángel Gómez Albores1, Juan Manuel Esquivel Martínez2, María Vicenta Esteller Alberich1
1 Instituto Interamericano de Tecnología y Ciencias del Agua, Universidad Autónoma del Estado de México. Carretera Toluca-Atlacomulco, km 14.5, 50200, Toluca, Estado de México, México.
2 Secihti–UAEMéx, Instituto Interamericano de Tecnología y Ciencias del Agua, Universidad Autónoma del Estado de México. Carretera Toluca-Atlacomulco, km 14.5, 50200, Toluca, Estado de México, México.
* Autor para correspondencia: (J.L. Expósito) This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Cómo citar este artículo:
Valle González, A., Expósito Castillo, J. L., Gómez Albores, M.A., Esquivel Martínez, J. M. y Esteller Alberich, M. V. (2026). Priorización de fuentes de abastecimiento de agua subterránea para su protección en una región minera del centro de México. Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana, 78(1), A121225. https://doi.org/10.18268/BSGM2026v78n1A121225
Manuscrito recibido: 28 de julio, 2025. Manuscrito corregido: 29 de octubre, 2025. Manuscrito aceptado: 10 de diciembre, 2025.
RESUMEN
La protección de los manantiales y de otras fuentes alternativas de agua subterránea en las regiones rurales de México resulta esencial para la sostenibilidad y la seguridad hídrica de la población. En este contexto, el objetivo de este trabajo fue priorizar las fuentes de abastecimiento de agua subterránea: seis manantiales y un socavón minero utilizado como punto de captación, localizadas en la región minera de Temascaltepec, en el sur del Estado de México, mediante el Proceso Analítico Jerárquico (PAJ) en un entorno de Sistemas de Información Geográfica (SIG). La metodología comprendió cuatro etapas: (1) evaluación hidrogeológica de las fuentes de abastecimiento, (2) clasificación según su origen, (3) delimitación de zonas de protección y (4) priorización de las fuentes de abastecimiento. Los criterios considerados fueron: exclusividad como fuente de abastecimiento de agua, inclusión de las concesiones mineras en las zonas de protección, evidencias reales de contaminación y número de habitantes abastecidos. Las fuentes se clasificaron como manantiales hipodérmicos o de flujo somero, asociados a rocas volcánicas fracturadas. Se definieron tres zonas de protección para cada manantial, con base en la delimitación de la zona de captura potencial y la estimación de su área de recarga; en el caso del socavón minero, se aplicó una metodología específica para evaluar la afluencia subterránea en drenajes mineros. El PAJ permitió identificar las fuentes prioritarias: el 86 % se clasificó con prioridad baja o moderada, mientras que el socavón minero presentó prioridad alta. Este enfoque puede resultar útil en regiones con concesiones mineras aún no explotadas, donde la protección de los manantiales requiere una perspectiva preventiva que promueva una planificación territorial equilibrada entre la actividad minera y la conservación de los recursos hídricos.
Palabras clave: zona de protección, agua subterránea, fuentes de abastecimiento, región minera, Sistemas de Información Geográfica (SIG), PAJ.
ABSTRACT
The protection of springs and other alternative groundwater sources in rural regions of Mexico is essential for ensuring the sustainability and water security of the population. In this context, the objective of this study was to prioritize groundwater supply sources: six springs and a mining pit used as a water intake point, located in the mining region of Temascaltepec, in southern State of Mexico, through the Analytical Hierarchical Process (AHP) a Geographic Information System (GIS) environment. The methodology comprised four stages: (1) hydrogeological assessment of the sources, (2) classification according to their origin, (3) delineation of protection zones, and (4) prioritization of the sources. The criteria considered were exclusive as a water supply source, inclusion of mining concessions within protection zones, evidence of actual contamination, and number of inhabitants supplied. The sources were classified as hypodermic or shallow-flow springs associated with fractured volcanic rocks. Three protection zones were defined for each spring, based on the delineation of the potential capture zone and the estimation of its recharge area. In the case of the mining pit, a specific methodology was applied to evaluate subsurface inflow in mining drains. The AHP allowed the identification of priority sources: 86% were classified as low or moderate priority, while the mining pit showed high priority. This approach may prove useful in regions with mining concessions that have not yet been exploited, where the protection of springs requires a preventive perspective that promotes balanced territorial planning between mining activities and the conservation of water resources.
Keywords: protection zone, groundwater, supply sources, mining region, Geographical Information System (GIS), AHP.
1. Introducción
El agua subterránea es un recurso esencial que proporciona la mayor reserva de agua dulce en el planeta. Su extracción representa el 26 % del agua potable que abastece a más de un tercio de la población mundial (World Water Quality Alliance, 2021; International Association of Hydrogeologists, 2022; UNESCO, 2023). Además, es la única forma viable y asequible de ampliar el acceso básico de agua a las poblaciones rurales no atendidas (UNESCO y UN-Water, 2022). En este contexto, y ante el incremento de las actividades antropogénicas que repercuten en el agua subterránea, la delimitación de sus zonas de protección para resguardar su cantidad y calidad, así como la priorización de las fuentes de abastecimiento a proteger en una región minera, ha sido una estrategia ampliamente recomendada (Chen et al., 2021; López-Valle et al., 2021; Zukhruf et al., 2022; El-Fakharany, 2023).
La minería es una actividad ampliamente extendida en las regiones montañosas y consume grandes volúmenes de agua subterránea; además, puede generar graves problemas ambientales y de salud pública debido a la contaminación asociada a sus procesos (Shams et al., 2020). En la minería de oro y metales básicos, la oxidación de sulfuros es resultado de procesos químicos y biogeoquímicos que provocan en el agua subterránea con pH ácidos y favorece la presencia de metales con concentraciones muy altas. Por lo tanto, la toxicidad y persistencia de los metales en el agua vuelve peligroso el recurso para el consumo humano, ya que los metales son bioacumulables y se transmiten a través de la cadena alimentaria (Raghavendra et al., 2020; Ewusi et al., 2022). Ante la problemática que representa la minería para el agua subterránea, se requiere el apoyo de la ciencia con datos adecuados y confiables que ayuden a la comprensión de sus impactos (Currell et al., 2017; Liu et al., 2020).
En las regiones mineras existe una alta demanda de agua para múltiples usos (agua de consumo humano, doméstico, riego, ganadería, procesamiento de productos agropecuarios o microempresas, etc.), mismos que generan ingresos para las familias y contribuyen a la lucha contra la marginación en comunidades rurales (Gil-Antonio et al., 2014; Somers y McKenzie, 2020). Para cubrir esta demanda, generalmente, la población depende de diferentes fuentes de agua subterránea (pozos, manantiales y norias). Los manantiales tienen una captación relativamente sencilla, sin embargo, son muy vulnerables en la pérdida de su caudal y a la contaminación (Adiningrum, 2017; López-Valle et al., 2021). Ante este escenario, es necesario establecer medidas adecuadas y oportunas para lograr preservar el buen estado de las fuentes de agua subterránea, tanto en cantidad como en calidad (United States Geological Survey, 2022; National Ground Water Association, 2022).
Para tal fin, las zonas de protección permiten estimar espacialmente aquellas áreas donde la contaminación puede afectar la calidad del agua subterránea, además de identificar zonas de recarga. Esta estrategia de protección considera al menos tres zonas (Al-Manmi y Saleh, 2019; U.S. Environmental Protection Agency, 2019, 2022), que son:
Zona de protección I (ZPI): Tiene la finalidad de impedir el acceso directo de ciertos contaminantes a la fuente. Dependiendo del país o región, generalmente se contempla un tiempo de tránsito de 50 días desde cualquier punto a la fuente, un radio mínimo de 50 m aguas arriba del pozo manantial (DVGW, 2002; U.S. Environmental Protection Agency, 2019).
Zona de protección II (ZPII): Permite atenuar la contaminación microbiana y proporcionar protección contra muchos otros vertidos de contaminantes. En manantiales de montaña, la zona II puede considerarse como su zona de recarga y se basa en el volumen de infiltración que podría sostener la descarga anual del manantial con base en un tiempo de tránsito de 365 días (Ministry for the Environment, 2018; López-Valle et al., 2021).
Zona de protección III (ZPIII): Corresponde a la superficie de terreno que potencialmente aporta agua al pozo o manantial. Algunos países definen un tiempo de tránsito de varios años que se extiende al resto de la zona de captura potencial (U.S. Environmental Protection Agency, 2019).
En la priorización de las fuentes a proteger se ha utilizado el análisis multicriterio dentro de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) (Al-Manmi y Saleh, 2019; Meerkhan et al., 2022; Trabelsi et al., 2022). El análisis multicriterio también se ha utilizado con otros enfoques en el área de la hidrogeología, por ejemplo, para identificar áreas prioritarias a monitorear en las redes de monitoreo del agua subterránea (Taheri et al., 2020; Esquivel-Martínez et al., 2022; Patoni et al., 2024) y para evaluar la calidad del agua subterránea a través del análisis de datos fisicoquímicos y microbiológicos (Kavurmaci y Üstün, 2016).
A pesar de la importancia de los manantiales como fuentes de abastecimiento en las zonas rurales de México, persiste una brecha significativa en el conocimiento y la gestión de su protección, particularmente en regiones con presencia o potencial de actividad minera. La mayoría de los estudios se han enfocado en aspectos hidroquímicos o descriptivos, sin incorporar criterios de priorización preventiva que integren las dimensiones hidrogeológica, ambiental y social. Asimismo, son escasos los trabajos que delimitan zonas de protección de manantiales utilizando metodologías apoyadas en Sistemas de Información Geográfica (SIG). Esta falta de enfoques integrales limita la toma de decisiones para la conservación y gestión sostenible de los recursos hídricos subterráneos. En este contexto, el presente estudio busca contribuir al cierre de dicha brecha mediante la priorización de manantiales y fuentes alternas de agua subterránea en una región minera del sur del Estado de México.
2. Área de estudio
2.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES
La región minera de Temascaltepec se localiza al suroeste del Estado de México, México, entre los 19° 00’ y 19° 07’ de latitud norte y los 100° 03’ y 100° 12’ de longitud oeste (Figura 1). Esta región tiene una superficie aproximada de 188 km² y alcanza una altitud máxima de 2700 metros sobre el nivel del mar (m s. n. m.). En el área de estudio se analizaron seis manantiales y un socavón minero (Tabla 1), los cuales podrían estar sujetos a la influencia de actividades mineras potencialmente contaminantes. Es importante señalar que el 100 % del caudal de estas fuentes se destina al consumo humano y a actividades domésticas.
Es una zona montañosa de clima templado subhúmedo C(w2) en la porción norte y semicálido templado-subhúmedo (A)C(w2) en la porción centro y sur. La precipitación oscila entre los 908 mm y 1304 mm anuales; además, existe una densa vegetación donde predomina el bosque de encino (IFOMEGEM, 2014). La región está conformada por comunidades rurales con altos índices de marginación social (INEGI, 2020) y los manantiales son la principal fuente de agua para consumo humano. La génesis de los manantiales está relacionada con flujos hipodérmicos o escorrentía subsuperficial. De acuerdo con Samper et al. (2011), los flujos hipodérmicos tienen su origen en el agua de precipitación que se infiltra en el suelo y se mueve sub-horizontalmente por los horizontes superiores del subsuelo para surgir como manantial, por lo que sus caudales están estrechamente vinculados a los patrones de precipitación y a las dimensiones de su zona de recarga (Valle, 2021).
La escasez de recursos hídricos del área de estudio tiene como consecuencia que la población también hace uso del agua de los escurrimientos de un antiguo socavón minero, el cual funciona como una galería horizontal con pendiente para su drenaje.
2.2. MARCO GEOLÓGICO E HIDROGEOLÓGICO
De acuerdo con Camprubí (1998, 2009), quien describió la geología regional de la zona minera de Temascaltepec, en el área de estudio hay depósitos epitermales polimetálicos con orientación NW a SE NNW-SSE que son explotados en dos minas: 1) El Coloso y 2) La Guitarra de México. Los depósitos epitermales se vinculan a la actividad hidrotermal de la Sierra Madre del Sur y la Sierra Madre Occidental, y sobreyacen parcialmente a materiales de la Faja Volcánica Mexicana. Las minas La Guitarra y El Coloso se ubican en un yacimiento compuesto por varios filones encajados en un stock granítico tardi-larámide y han sido explotadas para obtener plata y oro (Ag-Au).
El yacimiento mineral donde se localizan las minas La Guitarra y El Coloso consiste en vetas de cuarzo emplazadas especialmente en el granito y ocasionalmente en brechas tectónicas. Los minerales rellenan fracturas en el cuarzo, formando “clavos” con una dimensión vertical con más de 400 m. Además, gran parte del territorio ha sido concesionado para futuras extracciones mineras; estas áreas se conocen en México como fondos mineros (Figura 1).
El área de estudio presenta una compleja secuencia estratigráfica que abarca rocas desde el Jurásico hasta el Cuaternario. Los afloramientos más antiguos corresponden a esquistos y pizarras ( Ji(E–Pz)), sobre los cuales se disponen rocas metavolcánicas y sedimentarias (Kap(Mvs)). Posteriormente, se observan intrusivos graníticos (To(Gr)) seguidos por brechas basálticas (BvB), ignimbritas y riolitas (To(Ig–R)), así como pórfidos riolíticos (Tm(Pr)). En la parte superior de la secuencia se identifican depósitos volcánicos compuestos por lahares (Tpl(Lh)), basaltos (Qpt(B)) y andesitas (Qpt(A)). Finalmente, los materiales más recientes corresponden a aluviones del Holoceno (Qho(Al)). Esta sucesión refleja una evolución geológica dominada por procesos magmáticos, tectónicos y erosivos asociados al Eje Neovolcánico Transmexicano.
Desde el punto de vista hidrogeológico, el acuífero de Temascaltepec y específicamente el área de estudio, ha sido poca estudiada, ya que no existen pozos en la región y los habitantes se abastecen esencialmente de manantiales y corrientes superficiales. Sin embargo, CONAGUA (2024) ha clasificado el acuífero como de tipo libre, con una superficie aproximada de 1410 km2 y caracterizado por tres unidades hidrogeológicas con diferente permeabilidad, y a continuación se describen:
Unidades de permeabilidad alta (Qpt(B); Qho(al); Tpl(Lh); To(lg-R); BvB). Constituyen zonas de recarga importante y acuíferos de alta potencialidad. En estas unidades hidrogeológicas se agrupan los derrames volcánicos y los depósitos aluviales. Los materiales están constituidos por materiales granulares (potencialidad menor por su reducido espesor y extensión lateral) y por rocas fracturadas, principalmente de composición básica.
Unidades de permeabilidad media (Qpt(A)). Constituyen zonas de recarga y en el subsuelo conforman acuíferos de potencialidad media. Estas unidades comprenden rocas (mayormente ígneas extrusivas de composición intermedia) que presentan permeabilidad media a alta, originada principalmente por fracturamiento.
Unidades de permeabilidad baja que constituyen zonas de barreras (Kap(Mvs); To(Gr); Tm(Pr); Ji?(E-Pz)). En estas se agrupa a las rocas metamórficas y se localizan en la parte suroeste del área. Debido a su litología y fracturamiento escaso y discontinuo, presenta escasa permeabilidad. Ante esto, el agua de precipitación solo escurre sobre ellas.
3. Materiales y métodos
La investigación se estructuró en cuatro pasos metodológicos principales: (1) la evaluación hidrogeológica de los manantiales, a partir de la cual se realizó la clasificación de las fuentes de abastecimiento; (2) la delimitación de las zonas de protección (ZP); (3) la elaboración de los mapas de idoneidad; y (4) la priorización de las fuentes de abastecimiento (Figura 2).
3.1. EVALUACIÓN HIDROGEOLÓGICA DE MANANTIALES
Con la finalidad de caracterizar los manantiales objeto de estudio y clasificarlos según su origen, se llevó a cabo una evaluación hidrogeológica. Esta se realizó a partir del análisis geológico e hidrogeológico del área de estudio, los análisis fisicoquímicos y la medición de caudales de las fuentes de abastecimiento. Por su parte, el socavón minero fue considerado como un dren para efectos del cálculo de su zona de recarga.
El origen de los manantiales es un factor clave para establecer estrategias adecuadas de protección. Los manantiales fueron clasificados según su origen con base en las propuestas de Kresic y Stevanovic (2010), Medler y Eldridge (2021) y López-Valle et al. (2021). En dicha clasificación se tuvo en cuenta su grado de conexión con el acuífero (hipodérmicos o conectados al acuífero), su carga hidráulica (artesianos, ascendentes, de gravedad o descendentes), su régimen de caudal (perennes o intermitentes) y su temperatura (termales o no termales).
Las fuentes de abastecimiento estudiadas se localizaron sobre la carta geológica de Valle de Bravo (E14-A46) a escala 1:50,000 (IFOMEGEM, 2014), con el propósito de analizar las principales características geológicas e hidrogeológicas de la zona, y así identificar el tipo de roca predominante de acuerdo con su génesis.
Los parámetros fisicoquímicos del agua en cada fuente fueron determinados in situ utilizando un equipo multiparamétrico ORION THERMO. Se midieron los siguientes parámetros: temperatura del agua (°C), pH, conductividad eléctrica (CE) y sólidos disueltos totales (SDT); con el propósito de evaluar la calidad del agua de las fuentes de abastecimiento y considerar la información como un criterio de valoración dentro del análisis multicriterio, se llevó a cabo una campaña de muestreo en octubre de 2019, correspondiente a la temporada de lluvias.
Las muestras de agua se recolectaron siguiendo los procedimientos establecidos en la NOM-230-SSA1-2002 (DOF, 2005), la cual se basa en los lineamientos de la APHA–AWWA–WEF (2023). Se tomaron dos muestras de agua de cada fuente de abastecimiento: una destinada al análisis de aniones (Cl-, HCO₃-, SO₄²-) y otra al análisis de cationes y metales traza (Ca²+, Mg²+, Na+, K+, As, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, P, Pb, V y Zn). Todas las muestras se filtraron mediante una membrana de nitrocelulosa de 0.45 μm. Las muestras destinadas al análisis de cationes se acidificaron con ácido nítrico (HNO₃) hasta alcanzar un pH ≤ 2. Posteriormente, se almacenaron bajo refrigeración (4 °C) hasta su análisis.
Los análisis se realizaron en el Laboratorio de Geociencias Ambientales de la UNAM ( Juriquilla, Querétaro), utilizando un espectrómetro de emisión óptica con plasma acoplado por inducción (ICP-OES) Thermo iCAP Pro-XP Duo y un cromatógrafo iónico Dionex IC1100, equipado con bomba isocrática y detector de conductividad. Con los resultados obtenidos se efectuó el cálculo del error de balance iónico, obteniéndose valores inferiores al 10 %, por lo que los resultados se consideraron válidos y confiables.
Los caudales de las fuentes fueron estimados mediante el método volumétrico (MINAGRI, 2015). En cada punto se realizaron tres mediciones consecutivas para calcular un volumen promedio y, a partir de este, obtener una estimación aproximada del caudal. Dicho valor se utilizó posteriormente en la delimitación de las zonas de protección. Las mediciones se efectuaron el 1 de octubre de 2019, fecha considerada representativa debido a la acumulación de precipitaciones ocurridas en los meses previos. Además, se tomó en cuenta la percepción de los pobladores locales, quienes asocian este periodo con los caudales máximos de sus fuentes. La elección de este momento de máxima descarga permitió estimar las zonas de protección bajo condiciones de mayor extensión posible.
3.2. DELIMITACIÓN DE ZONAS DE PROTECCIÓN DE FUENTES DE ABASTECIMIENTO
A nivel internacional, diversos enfoques metodológicos han sido propuestos para estimar las zonas de protección de manantiales. Entre los más comunes se encuentran los métodos hidrogeológicos, que consideran la dirección del flujo subterráneo y la vulnerabilidad del acuífero; los métodos topográficos, basados en el análisis morfométrico de la cuenca de alimentación; y los métodos empíricos o normativos, que establecen radios fijos de protección según características del terreno o la magnitud del caudal. Estos métodos pueden aplicarse de forma independiente o complementaria, según la disponibilidad de información hidrogeológica y la escala del estudio (Lyu et al., 2024).
En ausencia de información piezométrica o de registros sistemáticos de caudal, la disponibilidad de datos climatológicos y topográficos ofrece una base sólida para estimar la delimitación de las zonas de protección (ZP) en manantiales de flujo hipodérmico. En estos casos, la integración del método topográfico con el análisis de balance hídrico constituye una alternativa metodológica confiable para estimar el área potencial de recarga y establecer criterios técnicos de protección (Setiawan et al., 2019; López-Valle et al., 2021; Rathi et al., 2021; Thapa et al., 2023). Partiendo de lo anterior, la delimitación de las zonas de protección consideró tres pasos metodológicos con base en López-Valle et al. (2021).
3.2.1. DELIMITACIÓN DE LAS ZONAS DE CAPTURA POTENCIAL (ZCP) DE LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO
A partir del conocimiento hidrogeológico, la delimitación de las zonas de captura potencial (ZCP) de los manantiales se basó en la consideración de que el flujo superficial coincide con el flujo hipodérmico subterráneo.
La delimitación de las ZCP de cada fuente de agua se planteó inicialmente mediante el uso del módulo “Watershed” a través del software ArcMap 10.8. Sin embargo, la escala de trabajo disponible presentaba un nivel de detalle insuficiente para definir con claridad dichas zonas. Por esta razón, fue necesario recurrir a criterios interpretativos de tipo topográfico e hidrográfico. Ante este sentido, en Google Earth se integraron la capa de la red hídrica, las curvas de nivel obtenidas del CEM 3.0 con una resolución de 15 m del INEGI y la capa con la ubicación de los manantiales. Mediante una inspección visual y trazado manual, se delinearon las ZCP considerando el parteaguas del terreno, la pendiente, la dirección de los escurrimientos y los puntos de descarga (manantiales). Finalmente, las delimitaciones resultantes fueron digitalizadas y refinadas en ArcMap para su análisis posterior. Por otro lado, la delimitación de la zona de protección del socavón se implementó una metodología basada en drenes de agua subterránea (Valle, 2021).
3.2.2. PRODUCTO CLIMÁTICO TERRACLIMATE
El área de estudio es relativamente pequeña y la información climática de estaciones climatológicas es insuficiente para realizar interpolaciones representativas (Figura 1), por lo que se consideró el producto TerraClimate (Abatzoglou et al., 2018), para contar con información de variables climáticas como la precipitación, temperatura máxima, mínima y evapotranspiración real.
El producto TerraClimate es un conjunto de datos combinados de normales climatológicas del producto Worldclim de alta resolución para aplicar las anomalías climáticas de los productos de CRU Ts4.0/JRA55, producto de reanálisis japonés de 55 años de resolución gruesa, para crear un producto global a una resolución espacial de 4 km x 4 km y temporal mensual.
Se utilizaron las tres estaciones convencionales de terreno obtenidas del Servicio Meteorológico Nacional (SMN, 2025), ubicadas en la proximidad de la región de estudio con información disponible en más del 80 % en el periodo 2003-2018, lo que permitió contrastar el producto a partir del análisis de coeficiente de correlación de Pearson (R) a nivel mensual entre las precipitaciones, temperatura máxima y mínima.
En la Tabla 2, se presentan los resultados de la validación y se aprecia que, el caso de la estación 15241, para la variable temperatura mínima, se presenta una correlación débil; en el resto de las correlaciones, se encuentran entre fuertes a muy fuertes, lo que permite validar el producto de TerraClimate para el análisis hidrológico dada la escasez de estaciones climatológicas en el área de estudio.
3.2.3. ESTIMACIÓN DE LA RECARGA ANUAL DENTRO DE LA ZONA DE CAPTURA POTENCIAL
En las zonas de recarga, el agua infiltrada sostiene la descarga anual de las fuentes de abastecimiento (Kresic y Stevanovic, 2010; López-Valle et al., 2021). Esta área de recarga está implícita en la zona de captura potencial de cada fuente de abastecimiento y se determinó con la Ecuación 1 del método del radio fijo calculado (Martínez y García, 2003), que expresa la relación entre el caudal o descarga media anual (Q), la recarga media anual (R) y el área de alimentación (A):
El caudal (Q ) se obtuvo a partir de la medición de los caudales en campo. La recarga (R) se estimó con el método de balance establecido por Thornthwaite y Mather (1955). En este caso se considera que la recarga es igual a la infiltración (I ) (Ecuación 2).
P es la precipitación media anual (mm/año), Es es el escurrimiento superficial medio anual (mm/año) y ETr es la evapotranspiración real media anual (mm/año) del producto TerraClimate.
El escurrimiento superficial (Es) se calculó en base a la Ecuación 3 establecida en la Norma Oficial Mexicana NOM-011-CONAGUA-2015 (DOF, 2015), donde P es la precipitación media anual y Ce el coeficiente medio de escorrentía.
Donde Ce se obtiene de la Ecuación 4, P es la precipitación media anual (mm/año) y K es un parámetro que considera el tipo y uso del suelo, según la NOM-011-CONAGUA-2015. Para definir el tipo de suelo (que considera la permeabilidad), se utilizó información edafológica obtenida de la cartografía del uso de suelo del IFOMEGEM (2014), que incluye información de cinco categorías de suelo (suelo desnudo, agrícola, matorral/pastizal, bosque denso/bosque poco denso y urbano) que fueron reclasificadas a partir de la Tabla de valores K que se describe en el apéndice A de la NOM-011-CONAGUA-2015. Una vez obtenidas las clases, se asignaron valores de K en función del tipo y uso de suelo mediante álgebra de mapas.
La infiltración se estimó a nivel espacial para el periodo 2003-2018 (Ecuación 2) utilizando álgebra de mapas en el software TerrSet. Como producto de aplicar la Ecuación 1, se obtuvo el área de recarga (A) de las fuentes de abastecimiento (área de alimentación), las cuales pueden ser consideradas como la ZP II (Environment Agency, 2019; López-Valle et al., 2021).
3.2.4. CLASIFICACIÓN DE LAS ZONAS DE PROTECCIÓN
La protección de fuentes de abastecimiento considera, generalmente, tres zonas de protección (Figura 3a). La ZP I se estima considerando 50 m aguas arriba del origen del manantial y el límite perimetral físico que impide el acceso directo de ciertos contaminantes a la fuente (DVGW, 2002; Environment Agency, 2019; López-Valle et al., 2021; Steiakakis et al., 2023). La ZP II se definió con base en un tiempo de tránsito de 365 días. Esta zona representa el área de alimentación que es capaz de soportar el caudal anual del manantial. Finalmente, la ZP III se identificó como el área localizada entre el límite final de la ZP II y el resto de la zona de captura potencial (ZCP) de cada manantial (Figura 3a).
En el socavón minero solo se delimitó la ZP II y, para su delimitación, fue necesario determinar el área de alimentación (A) que soporta el caudal anual que se descarga a través del dren con la Ecuación 5, y el ancho de frente de captura (b) del dren con la Ecuación 6 (Valle, 2021), considerando que el socavón tiene una longitud (h) de captación de 200 m en horizontal, y los flujos de agua subterránea se dirigen directamente a la perforación (Figura 3b).
3.3. PRIORIZACIÓN DE LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO
El PAJ se implementó en un entorno SIG utilizando el software TerrSet. Esta metodología es ampliamente utilizada en estudios sobre recursos hídricos, que permite determinar el peso relativo de cada criterio (Hajkowicz y Collins, 2007; Saranya y Saravanan, 2022). A partir de su aplicación, fue posible identificar las fuentes prioritarias dentro de la región minera analizada. Para ello, se realizaron las siguientes etapas:
1. Selección: Los criterios se clasifican en dos categorías: factores y restricciones. Los factores seleccionados influyen en la priorización de fuentes de abastecimiento de la región minera.
2. Reescalado: Se estandarizaron los factores cualitativos (evidencias reales de contaminación, inclusión de las concesiones mineras en las zonas de protección y fuente única de abastecimiento) y cuantitativos (número de habitantes abastecidos). Posteriormente, los factores se reescalaron utilizando la función sigmoidal monotónicamente creciente con el módulo FUZZY del software TerrSet. La ecuación para el cálculo de los valores reescalados fue (Drobne y Lisec, 2009; Eastman, 2024):
Donde Xi es el nuevo valor estandarizado por píxel, Ri el valor del factor por píxel, Rmin el valor mínimo del factor por píxel, Rmax el valor máximo del factor por píxel y SR el umbral máximo del rango a estandarizar (establecido para un valor de 255 para byte).
3. Ponderación (técnica PAJ). El proceso se basó en la opinión de especialistas con amplia experiencia y conocimiento en el campo de estudio. La comisión de expertos estuvo conformada por geólogos, geógrafos, químicos, hidrogeólogos y representantes de las autoridades municipales de Temascaltepec, integrando un total de diez miembros. Para llevar a cabo este proceso se utilizó la técnica PAJ.
Los expertos realizaron una comparación de factores con el fin de establecer una jerarquía de relevancia. Una vez concluido este proceso, se aplicó la técnica PAJ, utilizando la escala numérica propuesta por Saaty (valores de 1 a 9). El proceso se realizó mediante el módulo WEIGHT del software TerrSet, que realiza comparaciones por pares entre dos factores para determinar cuál es el más importante en la priorización de fuentes de abastecimiento.
Una vez completada la ponderación, se obtuvieron los pesos de los factores y se reflejan en el orden de importancia.
Además, se calculó la relación de consistencia (CR), cuyo valor debe ser <0.1 para considerarse aceptable, de acuerdo con los criterios establecidos por Saaty (2008). La CR se calculó con la siguiente ecuación (Saaty, 2008):
donde CR se refiere a la relación de consistencia. RI es el índice aleatorio cuyo valor depende del número de factores utilizados en la investigación (RI = 0.90 en esta investigación) (Yavuz y Tüdeş, 2019), y CI es el índice de consistencia obtenido con la siguiente ecuación (Saaty, 2008; Bagdanavičiūtė y Valiūnas, 2013):
donde λmax es el máximo valor propio de la matriz y n es el número de factores analizados en esta investigación.
El PAJ se distingue por tres ventajas fundamentales: la ponderación de factores cuantitativos y cualitativos en una escala común promueve la participación de expertos especializados y permite validar los resultados mediante la relación de consistencia.
4. Evaluación: Factores estandarizados fueron evaluados mediante el método de combinación lineal ponderada (WLC), que asume una decisión de riesgo medio y es uno de los métodos ampliamente utilizados para evaluar múltiples criterios en entorno SIG (Esquivel-Martínez et al., 2022). El resultado final se obtuvo al multiplicar cada mapa del factor estandarizado por el peso relativo obtenido mediante la técnica PAJ, y posteriormente se sumaron los valores resultantes de la multiplicación. El índice de idoneidad (S) se calculó de acuerdo con la Ecuación 10 (Eastman, 2024):
Siendo S la idoneidad, n el número de factores, Wi el peso relativo de cada factor i y Xi los valores estandarizados del factor i.
El resultado del análisis multicriterio fue un mapa de idoneidad representado en una escala byte (0-255). El valor máximo de la escala (255) se utilizó como punto de referencia para clasificar la cartografía en tres categorías de importancia (baja, media y alta), permitiendo así la construcción del mapa de priorización de las fuentes de abastecimiento del área de estudio.
4. Resultados y discusión
4.1. EVALUACIÓN HIDROGEOLÓGICA DE MANANTIALES
Con base en el análisis geológico e hidrogeológico, los manantiales 2, 3, 5 y el socavón (1) se localizan en rocas volcánicas tipo ignimbrita-riolíta (ToIg-R), el manantial 6 en rocas andesíticas (Qpt(A)) y los manantiales 4 y 7 en rocas basálticas (Qpt(B)). El 100 % de las fuentes de abastecimiento se presentan en zonas montañosas de alta pendiente y surgen en superficie a través de las fracturas (Figura 1).
El análisis de la composición fisicoquímica de las muestras de agua obtenidas en cada fuente (Tabla 3) permite inferir su posible origen. Los bajos valores de conductividad y concentración de iones disueltos, así como las temperaturas registradas, sugieren que el agua proviene de una infiltración reciente, cuya firma química es similar a la del agua meteórica (Tikhomirov, 2016). De acuerdo con el diagrama de Piper (Figura 4), la facie hidrogeoquímica dominante corresponde al tipo bicarbonatado cálcico. Asimismo, se identificó que el socavón minero representa la fuente con mayor afectación en la calidad del agua, al presentar valores de pH y concentraciones de metales (As, Pb y Mn) fuera de los rangos permisibles establecidos por la NOM-127-SSA1-2021.
Con respecto a los caudales medidos en las fuentes de abastecimiento, estos fueron: Socavón 2.5 L/s, La Ciénega 1.4 L/s, La Laja 3 L/s, El Bosque 1 L/s, Las Trancas 2 L/s, La Peña 0.5 L/s y La Palma 0.5 L/s. En conclusión, los manantiales seleccionados se clasifican como descendentes e hipodérmicos de baja mineralización y no termales. Estos surgen en la zona montañosa donde se tiene densa vegetación boscosa y existen precipitaciones suficientes para generar su alimentación.
4.2. DELIMITACIÓN DE ZONAS DE PROTECCIÓN DE LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO
La delimitación de las zonas de protección se llevó a cabo mediante los siguientes pasos:
4.2.1. DELIMITACIÓN DE ZONAS DE CAPTURA POTENCIAL DE MANANTIALES (ZCP) DE LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO
La ZCP de cada manantial se presenta en la Figura 5. Las principales características son las siguientes: La Ciénega (2) muestra una orientación N–S y una superficie de 135 128 m²; La Laja (3) también presenta orientación N–S, con 301 173 m²; El Bosque (4) constituye la zona de mayor extensión, con 905,492 m² y orientación E–W; Las Trancas (5) se orienta SE–NW y abarca 160 171 m²; La Peña (6) posee una orientación N–S y una superficie de 91 065 m²; mientras que La Palma (7) alcanza 85 003 m² con una ligera orientación NW–SE.
Es importante destacar que los métodos empleados en la delimitación de zonas de protección de manantiales presentan cierto grado de incertidumbre, debido a la variabilidad de los parámetros considerados en los cálculos. No obstante, en ausencia de información hidrogeológica detallada, la integración de los métodos topográfico y de balance hídrico constituye una alternativa metodológica eficaz que contribuye a la gestión y uso sustentable de los recursos hídricos asociados a los manantiales.
4.2.2. ESTIMACIÓN DE LA RECARGA ANUAL DENTRO DE LA ZONA DE CAPTURA POTENCIAL
Los resultados del cálculo de la recarga (infiltración (I)) en las zonas de captura potencial (ZCP) se presentan en la Tabla 4. Los mayores valores de precipitación (P) se registraron en la zona montañosa, sitio de localización de las fuentes de abastecimiento, con un promedio anual de 1237.6 mm, alcanzando sus máximos durante la temporada de lluvias (mayo-octubre; Figura 6). La escorrentía superficial (Es) en las ZCP mostró un promedio anual de 188.5 mm. La evapotranspiración de referencia (ETr) anual promedio fue de 711 mm, mientras que la recarga alcanzó un promedio de 339.2 mm/año, concentrándose en la temporada de lluvias ( junio–octubre). El manantial Las Trancas presentó los valores más altos de recarga. La estimación de I, junto con los datos de caudal (Q), permitió delimitar las áreas de recarga (A) y definir la Zona de Protección II (ZP II) de cada fuente de abastecimiento.
Cabe destacar que la estimación de la recarga mediante el método de balance hídrico presenta incertidumbres asociadas a la variabilidad climática, las limitaciones en la estimación de la evapotranspiración y la heterogeneidad del subsuelo. Sin embargo, su aplicación constituye una herramienta válida para aproximar la dinámica de recarga cuando se dispone de información climatológica y topográfica básica.
4.2.3. CLASIFICACIÓN DE LAS ZONAS DE PROTECCIÓN
La Tabla 5 describe la superficie que ocupan las zonas de protección de las fuentes de abastecimiento (Figura 7). Las ZP de los manantiales La Laja, Las Trancas y La Peña interceptan con las concesiones mineras, lo que eleva su prioridad de protección en el futuro.
4.3. PRIORIZACIÓN DE LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO PARA SU PROTECCIÓN
4.3.1. SELECCIÓN
En este estudio, los factores considerados incluyeron: 1) evidencias reales de contaminación del agua; 2) inclusión de las concesiones mineras en las zonas de protección; 3) número de habitantes abastecidos y 4) la condición de fuente única de abastecimiento. En este caso, no se consideraron restricciones para el análisis.
4.3.2. REESCALADO
El reescalado (escala de bytes de 0 a 255) fue esencial para la evaluación de los criterios, ya que los factores tenían diferentes escalas. Este paso tuvo como objetivo que los factores se correlacionen positivamente con su idoneidad (Eastman, 2024). La Figura 8 muestra la distribución espacial de los factores reescalados con una escala de bytes de 0 a 255 (escala común).
4.3.3. PONDERACIÓN (PAJ)
Los pesos relativos correspondientes a cada factor se generaron automáticamente tras aplicar la técnica PAJ (Tabla 6). El índice de consistencia fue de 0.08, y se considera aceptable tal y como lo establece Saaty (2008). Los factores tienen el siguiente orden de importancia: 1) evidencias reales de contaminación del agua (peso: 0.6291), fuente única de abastecimiento (peso=0.2265), número de habitantes abastecidos por cada fuente (peso=0.1021) y 4) inclusión de las concesiones mineras en las zonas de protección (peso=0.0424). El factor con mayor peso fue la evidencia real de contaminación del agua, dado que representa un riesgo directo para la salud de la población y, por tanto, es fundamental en la priorización de las fuentes de abastecimiento. Por el contrario, la inclusión de concesiones mineras en las zonas de protección fue el factor de menor peso, ya que se pueden tener posibles afectaciones futuras a las fuentes de abastecimiento, en el supuesto de que la actividad minera se active en las áreas concesionadas.
4.3.4. EVALUACIÓN
El mapa de idoneidad, una vez clasificado en tres categorías de prioridad, permite identificar las fuentes de abastecimiento que requieren un mayor nivel de protección, constituyéndose así en una herramienta estratégica para la gestión y planificación de los recursos hídricos (Figura 9). A continuación, se describen las categorías de prioridad asignadas a las fuentes de abastecimiento:
Prioridad alta: En esta categoría se tiene al Socavón, el cual abastece aproximadamente a 533 habitantes, quienes hacen uso de su caudal en actividades domésticas. La alta prioridad se encuentra relacionada con el factor de evidencias reales de contaminación del agua (0.6291), y se respalda en los resultados de los análisis hidroquímicos que muestran la presencia de arsénico (0.04 mg/L).
Prioridad media: En esta categoría sobresalen los manantiales El Bosque y Las Trancas. En el manantial El Bosque, la categoría media se sustenta por abastecer al grupo de población más numeroso del área de estudio. Por otra parte, el manantial Las Trancas ocupa esta prioridad debido a que se consideró como fuente única de abastecimiento disponible y presenta concesiones mineras dentro de sus zonas de protección.
Prioridad baja: Categoría que destaca en el área de estudio y representa el 57 % de las fuentes de abastecimiento. Los manantiales con prioridad baja son: La Laja (abastece a 700 habitantes), La Ciénega (abastece a 533 habitantes), La Peña (abastece a 200 habitantes) y La Palma (abastece a 1100 habitantes). Estos manantiales tienen la característica de sobresalir en áreas con densa vegetación; existe la falta de mantenimiento en sus obras de captación y no cuentan con límites perimetrales. En el caso de los manantiales Peña y Laja, la protección debe ser mayor, ya que existe inclusión de las concesiones mineras en las zonas de protección.
Los resultados confirman que la metodología implementada permite priorizar las fuentes de abastecimiento que necesitan protección en la región minera de Temascaltepec. Estos son insumos relevantes para la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) y para autoridades locales (comisarios ejidales), quienes toman las decisiones más adecuadas con el fin de proteger las fuentes de agua subterránea y así garantizar el recurso en cantidad/calidad en el corto y mediano plazo.
La técnica PAJ podría aplicarse a nivel cuenca hidrológica o acuífero a través de software comercial (ArcMap) o gratuito (QGis, TerrSet liberaGIS) disponibles para el público en general. Finalmente, una recomendación sería validar con otra técnica multicriterio (Lee et al., 2023); además, deberían analizarse otros criterios como el riesgo a la salud humana, como lo han desarrollado Colín Carreño et al. (2023).
5. Conclusiones
El presente estudio tuvo como objetivo priorizar las fuentes de abastecimiento de agua subterránea ubicadas en la región minera de Temascaltepec, sur del Estado de México, mediante la aplicación del PAJ en un entorno SIG. En los resultados, se elaboró un inventario de siete fuentes de abastecimiento (seis manantiales y un socavón minero), se determinó su origen y comportamiento hidrogeológico, se delimitaron sus zonas de protección y se estableció una jerarquización de prioridades para su protección. Las zonas de protección de las fuentes analizadas fueron delimitadas mediante la combinación del método topográfico y balance hídrico del suelo, considerando que los manantiales se clasifican como de flujo hipodérmico.
El PAJ consideró cuatro factores principales: fuente única de abastecimiento, inclusión de concesiones mineras en las zonas de protección, evidencias de contaminación y número de habitantes abastecidos, representados espacialmente mediante cartografía temática. No obstante, se reconoce que estos factores pueden variar según las condiciones hidrogeológicas, ambientales y socioeconómicas de cada región, así como de la información disponible.
La ponderación se realizó mediante el PAJ implementado en TerrSet, con base en la consulta a un grupo de expertos, y se integraron los resultados mediante el método de combinación lineal ponderada, que ofrece un equilibrio razonable en la toma de decisiones.
El mapa de prioridad resultante clasificó las fuentes en tres categorías, destacando el Socavón Guadalupe en la prioridad alta, atribuida principalmente a la presencia de contaminación por arsénico, factor con el mayor peso (0.6291) en el análisis.
Finalmente, los resultados constituyen una herramienta útil para la gestión sostenible del recurso hídrico en contextos mineros potencialmente contaminantes. Además, puede servir de base para que las autoridades locales y los tomadores de decisiones planifiquen la asignación eficiente de recursos económicos y técnicos, orientados a la protección oportuna de las fuentes de abastecimiento y a la prevención de conflictos entre la actividad minera y el uso del agua subterránea.
Contribuciones de los autores
Conceptualización: AVG; (2) Análisis o adquisición de datos: AVG, JLE, MAG; (3) Desarrollo metodológico/técnico: JLE, MAG; (4) Redacción del manuscrito original: AVG; (5) Revisión del borrador original: JLE, MAG, JME, MVE; (6) Análisis geoespacial y cartografía: JME, MAG; (7) Trabajo de campo: AVG, JLE, JME, MVE.
Financiamiento
Este estudio fue realizado con fondos del SECIHTI a través del otorgamiento de una beca de maestría.
Agradecimientos
Los autores agradecen a la Universidad Autónoma del Estado de México por el soporte brindado para esta investigación.
Conflicto de intereses
Los autores declaran la inexistencia de conflictos de interés.
Editor a cargo
Alexander Correa
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La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Nacional Autónoma de México.
Este es un artículo Open Access bajo la licencia CCBY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)