SUBSIDENCIA POR SOBRE EXPLOTACION

DE AGUAS SUBTERRANEAS

R E A L I Z A D O P O R :

E D I S O N S . M AT TO S O J E D A

SUBSIDENCIA POR SOBRE EXPLOTACION DE AGUAS

SUBTERRANEASEl término genérico de subsidencia hace referencia al hundimiento paulatino de la corteza terrestre, continental o submarina. La subsidencia terrestre, en la cual se centra el presente trabajo, es un fenómeno que implica el asentamiento de la superficie terrestre en un área extensa debido a varios factores, que pueden ser naturales o causados por el impacto de una gran variedad de actividades humanas (Corapcioglu, 1984).

La subsidencia es un fenómeno geológico que no suele ocasionar víctimas mortales, aunque los daños materiales que causa pueden llegar a ser cuantiosos. Es de gran importancia en zonas urbanas, donde los perjuicios ocasionados pueden llegar a ser ilimitados, suponiendo un riesgo importante para edificaciones, canales, conducciones, vías de comunicación, así como todo tipo de construcciones asentadas sobre el terreno que se deforma.

TIPOS DE SUBSIDENCIALa subsidencia del terreno es únicamente la manifestación en superficie de una serie de mecanismos sub superficiales de deformación. Prokopovich (1979) define desde un punto de vista genético dos tipos de subsidencia: endógena y exógena.

El primero de estos términos hace referencia a aquellos movimientos de la superficie terrestre asociados a procesos geológicos internos, tales como pliegues, fallas, vulcanismo, etc. El segundo se refiere a los procesos de deformación superficial relacionados con la compactación natural o antrópica de los suelos.

La subsidencia puede también clasificarse en función de los mecanismos que la desencadenan (Scott, 1979). Las actividades extractivas de mineral en galerías subterráneas, la construcción de túneles, la extracción de fluidos (agua, petróleo o gas) acumulados en reservorios subterráneos, el descenso de nivel freático por estiajes prolongados, la disolución natural del terreno y lavado de materiales por efecto del agua, los procesos morfotectónicos y de sedimentación o los procesos de consolidación de suelos blandos u orgánicos, son algunas de las causas de los procesos de subsidencia (González Vallejo et al., 2002). En la Tabla 1 se muestra un esquema de los diferentes tipos de subsidencia existentes.

SUBSIDENCIA POR DISOLUCIÓN DE ROCAS CARBONÁTICAS

El cloruro sódico (NaCl) es uno de los materiales más solubles de la corteza terrestre. Otros materiales como el yeso y las rocas carbonáticas son también solubles en agua bajo determinadas condiciones pudiendo llegar a generar grandes sistemas de huecos interconectados entre sí cuya deformación, y colapso, en caso extremo, generan una subsidencia con un carácter localizado

SUBSIDENCIA MINERALa subsidencia minera o por construcción de obras

subterráneas consiste en el hundimiento de la superficie del terreno con motivo de la deformación y/o colapso de galerías generadas para la extracción de minerales o la construcción de túneles respectivamente (Figura 2) al intentar ocupar el suelo el vacío generado los terrenos circundantes. Un ejemplo de subsidencia minera en España es el del Municipio de la Unión (Murcia) del cual hablaremos más adelante. Otro caso con una alta repercusión mediática es el del túnel del Carmel (Barcelona) que originó un colapso que encadenó el hundimiento de diversas viviendas.

Subsidencia por erosión

La subsidencia por erosión subterránea se produce por un proceso mecánico de arrastre de partículas de suelo causado por el flujo de agua subterránea.

El agua, en su recorrido horizontal por el terreno, moviliza partículas de suelo generando una serie de canales que pueden desencadenar colapsos del terreno. El fenómeno es conocido como tubificación o “piping”.

SUBSIDENCIA POR FLUJO LATERAL (A) EN MATERIALES SALINOS Y (B) EN ARCILLAS PLÁSTICAS INTERCALADAS ENTRE MATERIALES MÁS COMPETENTES

En torno a diversas formaciones evaporíticas (Figura a) se producen fenómenos de subsidencia asociados a la actividad diapírica. Este tipo de fenómenos de flujo lateral se ha observado en materiales arcillosos intercalados entre materiales más competentes como pizarras (Figura b).

La acumulación natural sucesiva de sedimentos o determinados tipos de cimentaciones pueden ocasionar la consolidación del terreno como consecuencia del peso que ejercen los sedimentos o las construcciones. Esta subsidencia se produce por una reducción gradual de los huecos del suelo.

SUBSIDENCIA POR CARGA

Las vibraciones producidas por los terremotos, explosiones u otras causas pueden causar la densificación de terrenos granulares sueltos por reajuste de partículas al alcanzar éste una estructura más compacta.

SUBSIDENCIA POR VIBRACIONES

La extracción de fluidos (agua, gas o petróleo) desde el terreno puede causar importantes valores de subsidencia como consecuencia del cierre gradual de los huecos rellenos por el fluido extraído.

La subsidencia causada por extracción de agua desde el subsuelo (Figura 7) afecta a importantes ciudades como México D.F., Venecia, Valle de San Joaquín (EE.UU.), Taipei (Taiwán), Tokio (Japón), Pekín (China).

SUBSIDENCIA POR EXTRACCIÓN DE AGUA

SUBSIDENCIA POR HIDROCOMPACTACIÓNLa hidrocompactación puede causar asientos de la superficie terrestre comprendidos entre 1 a 5 m.

Este fenómeno consiste en el asentamiento que se produce en determinados tipos de suelos, con un bajo contenido de humedad y situados sobre el nivel freático, al ser saturados (Figura 8). La presencia de agua puede causar dos tipos de efectos en este tipo de suelos, la disolución de los enlaces entre partículas o la pérdida de las tensiones capilares que en ambos casos sostienen las partículas de suelo para configurar su estructura.  

 

 

Los descensos de la superficie terrestre producidos por las fallas producen un efecto conocido como subsidencia tectónica. Este tipo de subsidencia es, en general, muy lenta y de pequeña magnitud (de pocos mm o décimas de mm al año) frente a otros tipos de subsidencia.

SUBSIDENCIA TECTÓNICA

EJEMPLOS DE SUBSIDENCIA

F A C H A D A P O N I E N T E D E L P A L A C I O D E M I N E R Í A D E L A C I U D A D D E M É X I C O . O B S É R V E S E E L E S Q U E M A C O N S T R U C T I V O D E L E D I F I C I O . S U B S I D E N C I A T E C T Ó N I C A

A U M E N T O D E L A C A N T I D A D D E A G U A E X T R A Í D A E N E L S U B S U E L O D E M É X I C O D . F.

DEFORMACIÓN DE LA FACHADA DE UN EDIFICIO HISTÓRICO POR ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES.

ESTE FENÓMENO PROVOCA QUE UNA ZONA CON TOPOGRAFÍA ORIGINALMENTE REGULAR PRESENTE PENDIENTES E IRREGULARIDADES

EN SU ELEVACIÓN, LAS CUALES SE ACENTÚAN CON EL TIEMPO, Y QUE LOS EDIFICIOS UBICADOS EN DICHA ZONA SE DEFORMEN

RUINAS DE UNA ANTIGUA PIRÁMIDE AZTECA AFECTADA POR ASIENTOS DIFERENCIALES. AL FONDO SE APRECIA UN EDIFICIO COLONIAL AFECTADO TAMBIÉN POR ASIENTOS DIFERENCIALES (GRIETAS DE LA FACHADALA MAMPOSTERÍA DE PIEDRA, QUE CONSTITUYE EL MATERIAL BÁSICO DE ESTOS EDIFICIOS, ES PARTICULARMENTE SENSIBLE A LAS DISTORSIONES INDUCIDAS POR LOS ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES; POR ELLO LOS EDIFICIOS PRESENTAN FUERTES AGRIETAMIENTOS E INCLINACIONES QUE AMENAZAN SU SEGURIDAD

Ejemplo de cimentaciones realizadas con pilotes tipo columna y pilotes de control.Durante el diseño y construcción de nuevas edificaciones, es importante tener en cuenta el fenómeno de subsidencia regional. Así algunos edificios construidos a mediados del siglo XX presentan el fenómeno de “emersión”. Este fenómeno se debe a que dichos edificios se cimentaron sobre pilotes, los cuales se apoyan sobre niveles duros (rocosos) existentes en profundidad (pilotes columna), bajo los niveles arcillosos, por lo que su cimentación no se ve afectada por la consolidación de las arcillas.

Edificio que presenta el fenómeno de emersión, al estar cimentado sobre pilotes de punta.

Este edificio está cimentado sobre pilotes columna, por lo que no sigue el hundimiento regional y se encuentra actualmente unos 2 m por encima del nivel de calle. Actualmente, este fenómeno se puede evitar utilizando otro tipo de cimentación, como por ejemplo los llamados pilotes de control, que permiten eliminar la emersión del edificio mediante un descenso controlado del edificio.

Ejemplos de patologías en infraestructura urbana y edificación. Obsérvese como incrementa la separación entre los dos edificios con la altura.

Desde los años 90, la explotación del acuífero se ha intensificado considerablemente, de forma especial durante los periodos de sequía pluviométrica.

Como consecuencia de esta sobre explotación se produjeron descensos piezométricos considerables en el acuífero durante los periodos 1993-1996, 2000-2001 y 2006-2008 cuya magnitud media en la ciudad de Murcia fue de 6, 4 y 8 m respectivamente, con valores extremos de hasta 15 m.

SUBSIDENCIA POR SOBRE EXPLOTACION DE AGUAS SUBTERRANEAS

La sobrexplotación de un sistema acuífero de una cuenca sedimentaria que contiene rellenos granulares con potencial de ser consolidados, tiene como consecuencia la generación de hundimientos graduales del suelo.

Los programas y proyectos de abastecimiento no son por lo general planificados en función de la capacidad de respuesta del medio geológico. Una extracción mayor que la recarga, parámetro difícil de calcular, origina abatimientos del nivel piezométrico y merman los volúmenes disponibles. La sobre explotación obliga a buscar fuentes alternas y a considerar esquemas para un mejor manejo de los recursos, aunque hay otros efectos colaterales de la “inadecuada” explotación acuífera.

CAUSAS DE LA SUBSIDENCIA

Los primeros reportes que relacionan los hundimientos del terreno con la extracción de agua fueron realizados por R. Fuller en 1908 (Poland, 1984).

Dicho trabajo fue retomado por Meinzer (1928) quien reconoció que la extracción de agua del almacenamiento de un acuífero se debe a la compresión del mismo y que la disminución del almacenamiento puede ser permanente (inelástica) o recuperable (elástica). Las primeras observaciones son realizadas por Rappley y Tibbets en 1933 (citados en Poland e Ireland, 1988) en el Valle de Santa Clara en California. Posteriormente, T. Althouse asoció la extracción de agua con hundimientos en el valle de San Joaquín en California en 1935 (en Evans, 1986). En México, Nabor Carrillo desde la década de 1950 reconoció que la subsidencia esta asociada a la extracción de agua subterránea del gran paquete arcilloso de origen lacustre de la Cuenca de México (Marsal y Mazari, 1959).

Debido a que la magnitud de los hundimientos puede ser de solo unos cuantos centímetros por año, y a que afectan superficies muy extensas (del orden de varios kilómetros cuadrados) éstos son casi imperceptibles, sin embargo al cabo de algunos años tienden a generan problemas tales como cambios en el drenaje natural del área que se hunde.

Asociado a los hundimientos se puede presentar un fenómeno más espectacular y destructivo: la aparición de grietas en la superficie, las cuales pueden dañar todo tipo de infraestructura civil, desde edificaciones hasta tuberías de agua potable, drenaje, gas, etc.

Los hundimientos y grietas que se presentan como consecuencia de la sobre explotación del agua del subsuelo (y de cualquier sólido o fluido) traen consigo problemas, no solo económicos por los daños que causan directamente sobre las propiedades de los particulares y en la infraestructura urbana, sino también sociales y legales por el riesgo que conlleva habitar en una zona donde los hundimientos provocan cada vez más frecuentes inundaciones, y donde la aparición de un nuevo grieta es latente.

¿SE DEBE CONSIDERAR A LA SUBSIDENCIA COMO UN DESASTRE?

Como la subsidencia no esta considerada como un desastre natural ni inducido, ni en la Ley de Aguas Nacionales ni en la Protección al Ambiente, no se incluye en los programas urgentes de ayuda social. Una razón de tal exclusión es que los efectos por lo general se observan a largo plazo. De esta forma, los afectados por fenómenos de subsidencia no cuentan con elementos legales para ampararse o reclamar.

La subsidencia no sólo se afecta la infraestructura visible sino también a tuberías, drenajes y poliductos. La ruptura de tuberías de agua potable incorpora rápidamente cloro residual a través del fracturamiento del terreno a formaciones acuíferas someras. Desde los drenajes rotos migran fácilmente microorganismos y materia orgánica.

Además, cuando las fallas interceptan poliductos se pueden producir derrames de hidrocarburos en el subsuelo.

Los edificios de uso público con estructuras debilitadas por las fracturas deben ser considerados en riesgo ya que son más fácilmente afectables por sismos o inundaciones. Igualmente edificios y monumentos históricos se ven dañados.

IMPACTO SOCIAL DE LA SUBSIDENCIA

Los costos económicos ocasionados por la subsidencia son muy difíciles de evaluar y cuantificar, debido principalmente a la dificultad de mapear la totalidad de las zonas que son afectadas, además de lo difícil de identificar los daños directos e indirectos que causan los hundimientos que son muy poco perceptibles. Se suma también a esto la dificultad de evaluar los daños al medio ambiente y lo subjetivo que es determinar la perdida del valor de los predios afectados por el fenómeno entre otros muchos parámetros no muy fáciles de cuantificar.

Los afectados realizan continuas y costosas reparaciones, a ello se suma también a esto la dificultad de evaluar los daños al medio ambiente y lo subjetivo que es determinar la perdida del valor de los predios afectados por el fenómeno entre otros muchos parámetros no muy fáciles de cuantificar.

Los daños a edificios y casas habitación son asimilados por los afectados, llegándose a “pérdidas totales” en la construcción. Se rompen paredes y pisos y se colapsan los techos. Los esfuerzos a que son sometidas las estructuras rompen trabes y cimentaciones

ACCIONES PREVENTIVAS

Para manejar de la manera más adecuada el problema son necesarias las siguientes acciones:

• Mapeo de las fallas o sistemas de fracturas

• Geo posicionamiento de las fallas o fracturas en planos urbanos escalas 1:10,000 0 1:25,000, verificando con estaciones totales su posición.

• Creación de bases de datos geológicos y de información sobre número de pozos y volúmenes de extracción

• Creación de Sistemas de Información Geográfica que permitan la rápida incorporación de información nueva

• Establecimiento de un programa de monitoreo para observar la evolución espacial y temporal de los desplazamientos verticales.

• Definición de perímetros de riesgo

• Establecimiento de contacto permanente de los grupos que estudien la subsidencia con las dependencias locales encargadas de permisos de construcción.

ESQUEMA DEL PRINCIPIO DE ESFUERZOS EFECTIVOS. (ADAPTADO DE U.S.G.S. 1999).

MECANISMO DE GENERACIÓN DE FRACTURAMIENTOS SEGÚN JACHENS Y HOLZER (1982). H ES EL ESPESOR DE

SUELO SIN DEFORMAR SOBRE LA PROTUBERANCIA BASAL.

MECANISMO DE GENERACIÓN DE FALLAMIENTOS SUGERIDO POR JACHENS Y HOLZER (1982).

MODELO CONCEPTUAL 1. EL FRACTURAMIENTO ES EL RESULTADO DE LA TRANSMISIÓN DE ESFUERZOS

DE CORTANTE EN LAS INTERFASES DE LOS ESTRATOS HACIA LA SUPERFICIE, SEGÚN SHENG Y

HELM (1995).

MODELO CONCEPTUAL 2. LOS FRACTURAMIENTOS SON CONTROLADOS POR UNA FALLA PREEXISTENTE,

SEGÚN SHENG Y HELM (1995).

MODELO CONCEPTUAL 3. SE GENERAN ROMPIMIENTOS A PROFUNDIDAD DEBIDO A

HETEROGENEIDADES O CAMBIOS SÚBITOS EN EL ESPESOR DEL ACUÍFERO, SEGÚN SHENG Y HELM

(1995).

ESQUEMA QUE EXPLICA LA GENERACIÓN RÁPIDA DE FALLAMIENTOS Y FRACTURAMIENTOS DESPUÉS DE UNA LLUVIA

ABUNDANTE. ADAPTADO DE CARPENTER (1999).

EJEMPLOS DE SUBIDENCIA POR SOBRE EXPLOTACION DE AGUAS SUBTERRANEAS

CASO QUERETARO MEXICO

Sección del subsuelo del valle de Querétaro en el perfil Gorrión sobre el agrietamiento 5 de Febrero, inferido con datos gravimétricos

F A L L A M I E N T O 5 D E F E B R E R O E N E L P R E D I O D E L A A N T I G U A P L A N T A S I N G E R , E L C U A L E N 2 0 0 4 P R E S E N T A B A U N

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