Autor: Héctor Romero

Resumen 
La Mecánica de Rocas es una disciplina que tiene sus fundamentos en dos ciencias básicas: la Geología y la Física (mecánica). Se debe aplicar a toda obra en donde se tenga la necesidad de modificar las condiciones naturales del terreno, lo que generalmente ocurre en grandes proyectos de construcción, por ejemplo, en importantes obras de infraestructura tales como carreteras, presas, etc., o bien en minas a cielo abierto y subterráneas. El objetivo básico de todo estudio de Mecánica de Rocas es la caracterización de los macizos rocosos existentes en el área de influencia de un proyecto para definir la viabilidad técnica del mismo en función de la evaluación de los diferentes factores del riesgo. La metodología para un estudio completo relacionado con su aplicación se define y comenta en este artículo.

Palabras clave: Macizo Rocoso, Caracterización Geomecánica.

Introducción
A lo largo del desarrollo de la humanidad, inclusive antes de la invención de la escritura, el ser humano ha demostrado su habilidad para modificar las condiciones naturales del terreno para edificar diversos tipos de obras, muchas veces justificadamente, para atender alguna necesidad específica (como la construcción de acueductos, canales y obras de facilitar el transporte terrestre), otras veces, por el simple hecho de demostrar poder (los grandiosos monumentos construidos en la antigüedad), como ejemplos, las grandes pirámides construidas en diversas partes del mundo por las antiguas civilizaciones, como la Egipcia (la más antigua data de hace más de 4,600 años, cronología de Jürgen von Beckerath, descrita en Vidal Manzanares, 1998) o la Teotihuacana hace más de 1,400 años (Millon, 1966). Los romanos se destacaron como grandes constructores de magníficas obras de ingeniería entre las que destacan los acueductos construidos hace más de 2,300 años. (Da Feo, G. and Napoli, R. M. A, 2007).  

Es evidente que para construir tales obras se modificaron las condiciones naturales de los terrenos respectivos, fue necesario extraer los materiales para construcción de canteras o minas y fue necesario aplicar diversas técnicas y conocimientos que si bien hoy podríamos calificar como empíricos, lo cierto es que ya se estaban forjando los cimientos de diversas ciencias y disciplinas relacionadas con la ingeniería, como la física (mecánica, hidráulica), la geología, la petrología, la topografía y la mecánica de rocas.  

Hoy en día, los seres humanos tenemos aún más necesidades que implican la modificación de las condiciones naturales del terreno, como grandes túneles ferroviarios, enormes presas, largas carreteras que incluyen túneles, puentes y excavaciones en roca; requerimos también de muchos minerales como materias primas primordiales y esto implica el desarrollo de grandes minas. Es un hecho que para atender todas estas necesidades, se requiera de ingenieros, ya no con conocimientos empíricos -como en la antigüedad-, sino formados o educados con base a las ciencias respectivas, que tengan los conocimientos y habilidades necesarias para destacarse en la construcción de grandes obras y operar grandes minas, de tal forma que todas las actividades relacionadas con la ejecución de excavaciones se realicen con técnicas fundamentadas en la ingeniería, de manera segura, a costos razonables y además que garanticen la vida útil esperada de las obras con un mínimo de mantenimiento y sobre todo, con “cero” accidentes que puedan perjudicar a los usuarios.  De acuerdo a lo anterior, hay ciencias y disciplinas fundamentales en la formación de todo ingeniero relacionado con los temas comentados, la Mecánica de Rocas es una de estas disciplinas. 

En función de la fuente que se consulte, podemos encontrar diversas definiciones de Mecánica de Rocas, desde aquellas que la consideran una ciencia, hasta aquellas que la consideran como una rama de la mecánica de suelos. Para evitar controversias y con fundamento en años de experiencia sobre el tema, aplicando sus principios a múltiples proyectos de ingeniería y minería, definiremos a la Mecánica de Rocas, como la Disciplina que integra conocimientos de dos ciencias básicas, la Geología y la Física (mecánica) para el estudio y clasificación de los diversos tipos de macizos rocosos (MR) en términos de su resistencia mecánica (Resistencia del Macizo Rocoso o Rock Mass Strength) y de las estructuras geológicas que los afectan (como fallas, fracturas, etc.) así como del estudio de los esfuerzos naturales y/o inducidos que interactúan con éstos.

Para asegurar la viabilidad técnica, económica y sobre todo la seguridad de las obras durante su construcción y a lo largo de su vida útil, debemos de seguir procedimientos específicos. En este sentido, el seguimiento y aplicación de los principios de la Mecánica de Rocas es fundamental, ya que de no hacerlo nos exponemos a altos riesgos relacionados con accidentes que pueden tener consecuencias muy graves.   Las actividades y secuencia básicas de esta disciplina se describirán a continuación.

Metodología
Toda disciplina con bases científicas debe de aplicarse en base a cierta metodología, en el caso de la Mecánica de Rocas, hay varios procesos y actividades que son fundamentales y que pueden realizarse a través de diversas técnicas, por ejemplo, la caracterización de los macizos rocosos es primordial y, para el logro de este objetivo, hay muchos métodos disponibles; algunos de ellos se describirán brevemente en párrafos posteriores. El Ingeniero encargado del proyecto es el responsable de seleccionar el método de caracterización más adecuado. En el diagrama (Figura 1) siguiente se presentan las diversas tareas o actividades que integran la Metodología para Caracterización de Macizos Rocosos a fin de  aplicarla a la construcción de un proyecto.

En el inicio de la secuencia mostrada, podemos notar que se ha definido visita de reconocimiento del área. Resulta lógico y hasta cierto punto muy obvio, que no podemos realizar una tarea de caracterización de macizos rocosos sin antes visitar el sitio donde se pretende ejecutar el proyecto. La visita o inclusive visitas iniciales al sitio son muy importantes pues lo que se observe durante éstas, servirá de base para la planeación subsecuente, misma que deberá integrar todas las actividades necesarias para cumplir con el objetivo.

Es importante aclarar que un proyecto en superficie es muy diferente a un proyecto subterráneo y que en el diagrama se muestran actividades generales, que no necesariamente aplican en ambos casos, por ejemplo, para una obra en superficie, los esfuerzos in situ tienen menor influencia.

El mapeo geológico a detalle es de gran relevancia en el proceso de caracterización de un MR, ya que de éste se desprende el estudio estructural. En esta actividad se precisan los diferentes tipos de rocas (litologías) en el área de influencia del proyecto; se deben definir claramente las estructuras geológicas tales como zonas de contacto, plegamientos y en lo general, las juntas (fallas, fracturas, planos de estratificación, diaclasas, etc). El estudio estructural implica la caracterización de todas las juntas, definiendo entre otras cosas, geometría (rumbo, echado), el tipo, la continuidad, si son juntas abiertas o cerradas, el tipo de relleno si es que lo hay, la rugosidad, la presencia de agua, direcciones dominantes, etc. El proceso de caracterización de juntas en sí, es muy complejo y en consecuencia tiene su propia metodología.

En muchos de los proyectos se requiere obtener muestras de rocas del subsuelo, sobre todo en aquellos donde la magnitud de la excavación sea a gran escala, a profundidad considerable o bien donde no existan afloramientos de roca expuestos en superficie.  Una actividad común para obtener tales muestras es lo que conocemos como barrenación de diamante (Fotografías en Figura 2). Esta actividad implica la perforación de barrenos con recuperación de núcleos de roca (muestras) que posteriormente se envían a un laboratorio especializado para determinar sus características mecánicas, tales como resistencia a compresión simple, resistencia a cizallamiento, módulo de deformación, cohesión, ángulos de fricción, etc. 

Para el caso de obras que impliquen excavaciones subterráneas o grandes obras en superficie, es muy importante la determinación del estado de esfuerzos in-situ.  En definitiva, esta tarea no es fácil y se requiere de un proyecto o estudio especial que implica la instalación de equipos o instrumentos costosos (Figura 3) en obras hechas “ad hoc” como socavones y túneles para instrumentar y obtener información geomecánica. Aunque son obras comunes, implican altos niveles de costo y tiempo.  El objetivo de esta actividad es definir la magnitud y dirección de los esfuerzos principales y secundarios que pueden tener influencia en la deformación y estabilidad de las excavaciones y en consecuencia, de la seguridad y operatividad de las obras concluidas. 

A lo largo de más de 20 años de experiencia participando en proyectos relacionados con la Mecánica de Rocas, se ha podido constatar que debido a lo laborioso, al tiempo y costo de estos de estudios, es raro encontrar proyectos (en México) que integren la información respectiva, por lo tanto, podemos decir que en nuestro país, los estudios para determinar esfuerzos in-situ, tanto en grandes proyectos de construcción, como en minería a cielo abierto y subterránea, son un campo que presenta una gran área de oportunidad. 

Toda vez que se tengan disponibles los datos relacionados con las actividades y/o estudios comentados, se procede a su integración, apoyándonos regularmente en un Sistema o Método para Caracterización de Macizos Rocosos. En esta etapa el objetivo es tener una evaluación, generalmente cuantitativa de los diversos MR presentes en el área del proyecto.

Uno de los primeros sistemas correlacionados con la calidad mecánica de los macizos rocosos fue el Rock Load Theory, desarrollado por el Ingeniero austriaco Karl von Therzagui quien lo propuso en 1946 para aplicarlo en la definición de la carga o presión aplicada al diseño de marcos de acero en la excavación de túneles (B.M. Das, 2010). En su propuesta inicial, El Rock Load Theory, fue un sistema cualitativo, en el cual se hacía la clasificación del MR en base a la comparación de la condición observada contra las descripciones o modelos de las diferentes clases propuestas y básicamente tomaba en cuenta la densidad de fracturas del macizo rocoso. Este sistema para caracterización de MR, marcó la pauta para el desarrollo de muchos otros;  entre los más difundidos y de mejor aceptación a nivel mundial, están el RQD (Rock Quality Designation) propuesto por Deere en 1966, el RMR (Rock Mass Rating) de Bieniawsky (1973), el Q (Rock Mass Quality) de Barton (1974) y más recientemente el GSI (Geological Strength Index) propuesto por Ever Hoek en 1995 y el RMi (Rock Mass Index) de Arild Palmstrom (1995). 

Los métodos para caracterización de MR más completos y aceptados coinciden en la integración de los parámetros siguientes:  densidad de juntas (fallas, fracturas, etc.), condición de juntas (continuidad, rugosidad, tipo de relleno, etc.), presencia de agua y resistencia a compresión simple o en su caso, estado de esfuerzos in situ. Como se comentó previamente, el objetivo de la caracterización es tener una evaluación, preferentemente numérica de los diversos tipos de MR que puedan estar presentes en el área de estudio. Al tener la definición clara de lo anterior, se pueden establecer las medidas de control para minimizar los riesgos durante la excavación o construcción de las obras y a lo largo de su vida útil. 

Independientemente del método seleccionado para un proyecto específico, debemos comentar que el trabajo es complejo, se requiere de una buena planeación (previamente comentada) en la que se definan tanto el tiempo necesario para la ejecución, como los costos asociados. Muchas obras importantes han presentado problemas de estabilidad, durante su construcción o lo que es peor, durante su operación, debido principalmente a que no se realizaron los estudios de mecánica de rocas pertinentes (Figura 4). 

Resultados
Después de la ejecución de todas las actividades que integran un estudio completo de Mecánica de Rocas, los resultados se resumen de manera significativa y se expresan generalmente con valores numéricos que “califican” a los MR y definen su tipo o clase. Por ejemplo, el Sistema RQD, que es uno de los métodos más simples, define cinco clases de MR en función de una calificación porcentual que va de 0 a 100 (Tabla 1), mientras que el Sistema Q, define 9 tipos de MR, con calificaciones que están en una escala logarítmica que va de 0 a >400 (Tabla 2); el RMR integra 5 clases de MR, en rangos cuyos valores están entre 0 a 100. La realidad es que hay muchos otros métodos o sistemas para clasificación de MR que se aplican en diversas partes del mundo, los mencionados, solamente son ejemplos y representan los más conocidos en la región de Norteamérica; si bien, cada sistema tiene su propia metodología, lo cierto es que, como se mencionó previamente, también tienen muchas similitudes pues se fundamentan en parámetros similares.

La Caracterización de Macizos Rocosos es la base para el desarrollo de los Diseños de las Excavaciones. La definición de las clases o tipos de MR en el área de influencia de un proyecto, sirve para definir entre otras cosas, el claro máximo, las pendientes y alturas de las obras, así como los métodos de soporte o refuerzo e inclusive los sistemas y procedimientos más adecuados para realizar las excavaciones. 

La preparación de modelos geomecánicos o simulaciones de los proyectos con programas de cómputo que permiten predecir la interacción entre las obras proyectadas contra los esfuerzos y deformaciones del terreno y su influencia en la estabilidad de aquellas es algo común hoy en día, tanto para excavaciones subterráneas, como para excavaciones en superficie (Figuras 5 y 6) y esto no sería posible sin los datos generados durante la ejecución de todos los trabajos y estudios previamente descritos. Estos modelos sirven para definir las condiciones geométricas y constructivas que representen la mejor alternativa de diseño, para asegurar la viabilidad técnica y económica del proyecto, pero sobre todo, que permitan maximizar los factores de seguridad durante las diversas etapas de construcción y más aún durante toda la vida útil de la obra.

Conclusiones

La Mecánica de Rocas es una disciplina que integra diversos métodos para caracterización de macizos rocosos con el objetivo de entender las interacciones entre éstos y diversos proyectos de construcción en donde se requiera modificar las condiciones naturales del terreno, ya sea que se trate de obras en superficie o bien de obras subterráneas. Los principales objetivos de su aplicación se pueden resumir en los puntos siguientes:

1. Asegurar la integridad física de personal, equipo e infraestructuras en el entorno del proyecto durante las diferentes etapas de excavación-construcción.
2. Minimizar los riesgos de accidentes durante la vida operativa de las obras.
3. Minimizar tiempos perdidos y costos originados por incidentes y accidentes durante la excavación-construcción.
4. Maximizar el aprovechamiento de los insumos utilizados durante la excavación y acabado de las obras.
5. Obtener el diseño óptimo de las excavaciones y obras de tal forma que se maximicen los factores de seguridad.
6. Minimizar los costos de excavación y construcción.
7. Minimizar los costos para mantenimiento de las obras durante toda su vida útil.
8. Asegurar la operatividad de las obras durante su vida útil.

Como podemos apreciar, son muchos los beneficios que se pueden obtener al seguir una metodología adecuada para conocer y/o determinar las características de los macizos rocosos ya que en muchos de los grandes proyectos de infraestructura que se realizan día con día alrededor del mundo, es necesario realizar excavaciones. Mas aún, en todas las operaciones mineras del mundo (grandes o pequeñas) de donde se extraen las principales materias primas que la sociedad actual necesita, su aplicación es indispensable si no es que vital.

Bibliografía

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• Barton N., Lien R. and Lunde J. (1974): Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, Vol. 6, No. 4, pp. 189-236.
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1. Depto. de Ing. en Minas, Met. y Geol., Universidad de Guanajuato, San Matías S/N, Guanajuato, Gto,36000, r_marin@ugto.mx

Por: Guadalupe Ibarra Olivares ^1,2, Raúl Miranda Avilés¹, María Jesús Puy y Alquiza¹, Edgar Ángeles Moreno¹, Pooja Kshirsagar¹

Resumen 
Los Modelos Hidrogeológicos Conceptuales (MHC) permiten visualizar de forma sencilla los elementos y características reales de un sistema hidrogeológico. La importancia de los MHC en cualquier tipo de actividad relacionado con la geología del subsuelo requiere de un MHC bien sustentado que permita conocer el número y tipos de acuíferos presentes en un área determinada, la posible interrelación entre ellos e incluso, determinar si en el área de estudio se cuenta o no, con la presencia de agua subterránea ya que una deficiente interpretación del MHC generará siempre incertidumbre en los resultados y por consiguiente errores en la toma de decisiones, lo cual impacta negativamente en la sociedad. Algunos casos específicos a nivel local, en donde la minería cobra especial interés, debido a las controversias con los grupos de usuarios quienes refieren, que su fuente de agua está siendo presuntamente afectada por el laboreo de las obras mineras. Algunos casos, en los que se han desarrollado estudios hidrogeológicos que incluyen un MHC, permiten identificar afectaciones a fuentes de aguas superficiales o subterráneas y son determinantes para la toma de decisiones o solucionar conflictos sociales.

Abstract
The Conceptual Hydrogeological Model (MHC) allows to visualize in a simple way the real elements and characteristics of a hydrogeological system. The importance of MHCs in any type of activity related to underground geology requires a well-supported MHC that allows knowing the number and types of aquifers present in a given area, the possible interrelationship between them and even determining whether in the area study whether or not it has the presence of groundwater since a poor interpretation of the MHC will always generate uncertainty in the results and therefore errors in decision-making, which has a negative impact on society. There are some specific local incidences where mining is of particular interest because of disputes with user groups who claim that their water source is allegedly being impacted by mining operations. There are some cases, in which hydrogeological studies have been carried out that include an MHC. These conceptual models allow the identification of effects on surface or groundwater sources and are decisive for decision-making or solving social conflicts.

Introducción
El agua subterránea representa una de las principales fuentes de abastecimiento para el consumo humano, agrícola e industrial en el mundo. El agua subterránea se investiga a través del desarrollo de estudios hidrogeológicos para determinar su origen, movimiento, características físicas, químicas, bacteriológicas, radiactivas e interacción con los suelos y rocas, así como las condiciones que determinan su aprovechamiento y regulación. Los estudios hidrogeológicos implican además la integración de un Modelo Hidrogeológico Conceptual (MHC), que permita visualizar y entender de forma sencilla y simple los elementos y características reales de un sistema hidrogeológico. Por lo que es relevante mencionar, la importancia que tienen los MHC en cualquier tipo de estudio relacionado con la geología del subsuelo. Un MHC bien sustentado es aquel que permita conocer el número y tipos de acuíferos presentes en un área determinada, la posible interrelación entre ellos e incluso, determinar si en el área de estudio se cuenta o no, con la presencia de agua subterránea, ya que una deficiente interpretación del MHC generará siempre incertidumbre en los resultados y por consiguiente, errores en la toma de decisiones, lo cual impacta negativamente en la sociedad. 

Por lo anterior, es necesario contar con un buen MHC que permita caracterizar las unidades hidrogeológicas, ubicar las zonas de recarga y descarga, detectar y caracterizar la existencia de flujos preferenciales entre acuíferos, así como definir los factores que condicionan la hidrodinámica del flujo subterráneo. Los estudios hidrogeológicos que integran un modelo conceptual bien fundamentado son esenciales para la hidrogeología.

Importancia de los (MHC)
Aunado a la escasez de fuentes de agua dulce de fácil acceso, las aguas subterráneas hacen de su localización y monitoreo una actividad de vital importancia en el mundo actual. Es aquí donde los modelos conceptuales y matemáticos calibrados, resultan ser fundamentales, ya que constituyen la herramienta básica a través de la cual se puede evaluar y predecir el comportamiento de los niveles de profundidad  de tan importantes reservorios de agua dulce (Mejías et al., 2011).

La conceptualización de un modelo de aguas subterráneas, es un primer paso en el desarrollo o construcción de modelos conceptuales, ya que se provee un panorama general de los límites de un sistema, es decir, su geometría, propiedades y procesos relevantes, que dan respuesta a las preguntas de investigación, acotando la brecha entre caracterización hidrogeológica y modelación del agua subterránea. Estimar parámetros para la calibración de un modelo numérico, con un inadecuado modelo conceptual, puede conducir a valores de parámetros sesgados, y son un problema al extrapolar las predicciones, así como representar un diferente régimen de estrés dando falsa confiabilidad, es decir, información no controlada en los resultados del modelo. El desarrollo de los modelos conceptuales está basado en la disponibilidad de la información geológica e hidrogeológica como los datos de niveles de pozos (piezometría), concentraciones de elementos traza, etc., pero también de la interpretación de la información por parte de los expertos (Enemark et al., 2019).

Existen estudios hidrogeológicos desarrollados en varios países del mundo (Betancur et al., 2012), (Enemark et al., 2019; García & Arellano, 2012; Gastmans et al., 2012; Mejías et al., 2011), cuyos modelos conceptuales tienen como objetivo principal, mejorar el entendimiento del flujo del agua subterránea y la influencia de las condiciones geológicas. En algunos casos, el sistema para el abastecimiento está compuesto de baterías de pozos que explotan a gran escala un acuífero, como es el caso del Acuífero La Muralla en Guanajuato, México (Ibarra Olivares, 2004), así como en el Acuífero Nimboyores en Costa Rica (García & Arellano, 2012), otros ejemplos en Sudamérica (Thalmeier & Rodríguez, 2022), en acuíferos trasfronterizos US-México (Robertson et al., 2022) o en Europa (Koit et al., 2021; Martin et al., 2020). Muchos acuíferos abastecen a complejos turísticos (Burgos Pérez, 2004; Gondwe et al., 2011), o a grandes ciudades, caso Acuífero de La Muralla, generando conflictos o malestares en comunidades vecinas o aledañas a estas baterías de pozos, así como controversias a nivel municipal, estatal, nacional, e incluso denuncias a nivel internacional (García & Arellano, 2012).

Debido a los conflictos generados por los distintos usos del recurso hídrico, surge la necesidad de desarrollar estudios hidrogeológicos, para conocer la dinámica de los acuíferos, en donde a través de modelos numéricos se pretende evaluar el potencial del acuífero, sólo si se establece claramente un modelo hidrogeológico conceptual (García & Arellano, 2012).

En varios países del mundo existen sistemas acuíferos transfronterizos como el caso de Estados Unidos de América y México, siendo algunos acuíferos compartidos; el Acuífero Hueco-Tularosa, Acuífero del Hueco, Acuífero del Río Bravo, entre otros, (Chávez et al., 1998). En Sudamérica por ejemplo, el Sistema Acuífero Guaraní (SAG), que es un acuífero que incluye los territorios de Argentina, Brasil, Paraguay y Uruguay, donde los mecanismos de gestión están siendo integrados, ya que las legislaciones referentes a los recursos hídricos subterráneos son distintas en los cuatro países (Gastmans et al., 2012). Con esta misma problemática en el sistema trasfronterizos US-México (Robertson et al., 2022) existen esfuerzos para consolidar mecanismos de gestión compartida.

Integración de un modelo hidrogeológico conceptual
La hidrogeología está lejos de ser una ciencia cuantitativa. Sus modelos son hipótesis y predicciones raramente probados. La hidrogeología es una ciencia descriptiva, que intenta ser lo mejor posible cuantitativa, dependiendo de la información disponible, pero sin la posibilidad en la mayoría de los casos de garantizar la exactitud de las predicciones. Por lo que los hidrogeólogos deberían esforzarse por realizar modelos más cuantitativos que cualitativos, con el fin de contestar preguntas de gestión con mayor precisión (Voss, 2005) 

Para realizar un modelo numérico, es necesario primero, contar con un modelo conceptual. Muchos aspectos de los modelos conceptuales no es posible representarlos en un modelo numérico, porque los sistemas hidrogeológicos son muy complejos. Los modelos hidrogeológicos conceptuales, consideran tres aspectos principales; los procesos, la escala y los objetivos  (Betancur et al., 2012).

El propósito de crear un modelo conceptual es simplificar el problema que se está examinando, organizando los datos para que ese sistema se pueda analizar eficazmente (Winkler et al., 2003). La simplificación es necesaria, ya que una reconstrucción completa del sistema es prácticamente imposible. Un modelo conceptual da la idea básica o comprensión de cómo operan los sistemas y procesos en un área determinada  (Betancur & Palacio, 2009).

También, la incertidumbre conceptual es importante en el modelado de flujo de las aguas subterráneas. La prueba de hipótesis es esencial para aumentar la comprensión del sistema, analizando y refutando modelos conceptuales alternativos. Se debe presentar un enfoque sistemático para las pruebas de modelos conceptuales, dirigido a encontrar un conjunto de entendimientos conceptuales consistentes con los conocimientos previos y los datos de observación. Esto difiere del enfoque tradicional, de ajustar los parámetros de un único modelo conceptual (Enemark et al., 2020).

Para la elaboración de un Modelo Hidrogeológico Conceptual (MHC), es imprescindible contar con información geológica como mapas geológicos, secciones geológicas, cortes litológicos de pozos, información geofísica; sondeos eléctricos verticales, sondeos transitorios electromagnéticos, información hidrogeológica; límites permeables e impermeables, monitoreo de la profundidad de los niveles estáticos e historial piezométrico, pruebas de infiltración y pruebas de bombeo. También es necesario considerar el marco hidrológico, clima, exploraciones de campo, etc. Primero, para la integración del modelo hidrogeológico conceptual y posteriormente, para la consolidación del modelo numérico. Con base en la distribución de los pozos con cortes litológicos y el apoyo de los resultados geofísicos de los Sondeos Eléctricos Verticales (SEV´s) se elaboran los perfiles geológicos, que son la base del modelo geológico, para finalmente construir el MHC (García & Arellano, 2012).

La interpretación hidrogeológica de los datos geofísicos es valiosa para determinar la profundidad y el espesor de los horizontes con potencial acuífero y para identificar la posición de las potenciales zonas de recarga (Danielsen et al., 2007).

La estructura física conceptual incluye las unidades hidroestratigráficas, así como la extensión horizontal y vertical del sistema, es decir, una divisoria de cuencas y un límite inferior impermeable, las barreras y/o conductos al flujo de aguas subterráneas (fallas y fracturas) y los subsistemas del sistema de las aguas subterráneas. La estructura de variabilidad espacial, es la descripción de las propiedades hidráulicas invariantes en el tiempo del sistema y su variabilidad espacial.

La Estructura conceptual del proceso, contiene las condiciones de contorno que son variantes de tiempo, tales como flujos dentro y fuera del sistema. Estos pueden ser controlados externamente y en gran medida independientes de la dinámica del sistema de aguas subterráneas (por ejemplo, precipitaciones, tasas de bombeo, niveles de drenaje para la deshidratación de minas, límite lateral de flujo cero) o controlados internamente y en gran medida, dependientes de la dinámica del sistema de aguas subterráneas, por ejemplo interacción agua superficial-agua subterránea, evapotranspiración, etc. independientemente de que el objetivo del modelado deba ser identificado como el primer paso crucial en estudios de modelación (Figura 1). Los mismos autores mencionan que de 59 artículos revisados, sólo 33 definen explícitamente el objetivo del modelo en la introducción de su artículo, lo cual puede ser relevante en algunos aspectos de la conceptualización y menos relevantes para otro tipo de predicción  (Enemark et al., 2019).

Para el proceso de desarrollo de un modelo numérico, se requiere de una planificación cuidadosa, que incluya una serie de etapas previas a su construcción; primero, la definición del modelo conceptual, que es el primer paso y el más importante. Aquí debe quedar reflejada la idea que se tiene del funcionamiento del acuífero, a la vista de los datos disponibles que condicionarán a su vez, el tipo y nivel de detalle del modelo. En esta etapa se integran los resultados de cada actividad, como información geológica, inventario de aprovechamientos, monitoreo de niveles estáticos, pruebas hidráulicas, integración geológica-geofísica. 

La definición del modelo conceptual debe contemplar los siguientes puntos: Litología, número de unidades que lo constituyen, composición mineralógica, tipo y origen de su permeabilidad, geometría de cada unidad litológica (distribución, extensión y espesor). Hidrogeología (términos del balance general del acuífero, delimitación de zonas de recarga y descarga, direcciones del flujo, identificación de espesores de las zonas saturadas y no saturadas, interacciones entre los diferentes horizontes acuíferos, características hidráulicas de la unidad, grado de permeabilidad, potencial hidráulico basado en las evidencias encontradas en campo y relaciones hidráulicas con otras unidades, funcionamiento hidráulico de las distintas unidades, entre otras (Perea Hernández, 2017).

Desde el punto de vista físico, un acuífero puede ser subdividido en dos componentes: una estática y otra dinámica. La componente estática, representada por las rocas y su arquitectura geológica que controla el movimiento de la componente dinámica, el agua, la cual ocupa los poros o espacios vacíos de las rocas, (Figura 2), (Winkler et al., 2003).

Es importante mencionar, que la componente dinámica del sistema está en función de la componente estática, es decir, el flujo o movimiento del agua subterránea está en función del marco geológico regional y local en el cual está inserto el o los acuíferos (Gastmans et al., 2012).

Un modelo conceptual (Gonçalves, 2016), es una herramienta bastante valorizada en hidrogeología, una representación simplificada de unidades hidrogeológicas y del sistema de flujo de aguas subterráneas (Betancur et al., 2012). Estos aspectos hidrogeológicos son determinados a través de estudios geológicos y ensayos hidráulicos y corresponde a una representación en forma de bloque diagramático o un perfil (Gonçalves, 2016).

Los modelos conceptuales también incluyen características tales como, parámetros hidráulicos de cada unidad, posiciones de los niveles freáticos o piezométricos y también las condiciones de flujo del agua subterránea. Además, se deben identificar las áreas y procesos de recarga y las reservas deben ser evaluadas. 

La calidad de los modelos hidrogeológicos depende de la calidad de la información que se pueda recabar para su construcción, y esta a su vez depende de la disponibilidad de los recursos financieros. Es importante señalar que un modelo hidrogeológico contiene muchos elementos cualitativos y las interpretaciones son subjetivas. La prueba de su validez solo puede lograrse implementando técnicas de investigación específicas y luego construir un modelo numérico y comparar los resultados de la simulación con las observaciones de campo (Betancur et al., 2012).

Por otro lado, la recopilación de nuevos datos puede invalidar un modelo conceptual original, al revisar la teoría científica o como resultado de nueva información obtenida en un sitio en particular. Esto ocurre en el 20-30% de los casos estudiados, lo que indica que no es fácil construir un modelo hidrogeológico adecuado (Betancur et al., 2012).

Para la construcción de un modelo hidrogeológico conceptual es relevante contar con la descripción litológica de los diferentes pozos perforados. Sin embargo, mucha de esta información carece de uniformidad en su descripción y es necesario entonces uniformizar criterios, ya que en gran número de cortes litológicos de pozos no es posible comparar y correlacionar algunas capas u horizontes. Esto se logra realizando una visualización a través de la elaboración de secciones transversales y paneles de correlación que permitían corroborar la descripción litológica de un pozo con respecto a otros adyacentes (Mejías et al., 2011).

Con la información de la localización espacial de los pozos y la utilización de algún software como el Ground Water for Windows (GWW), se elaboran secciones transversales, a fin de visualizar e identificar el modelo hidrogeológico conceptual para la evaluación del acuífero, así como la secuencia vertical de las capas que componen el área de estudio. Posteriormente, la unión de varias secciones transversales, facilitan la creación de paneles de correlación de una determinada zona del área de estudio; estos paneles de correlación permiten obtener una buena idea del comportamiento de las distintas secuencias litológicas, ya no sólo a lo largo de una línea de sección sino a través de todo un bloque diagramático en tres dimensiones del área seleccionada (Mejías et al., 2011).

Hidrogeoquímica y conexiones hidráulicas entre acuíferos
La hidrogeoquímica es una herramienta muy útil para identificar las conexiones y los flujos ascendentes entre acuíferos por medio de los contenidos de cloruros y sulfatos que pueden aumentar rápidamente en las transiciones entre acuíferos (Gastmans et al., 2012).

Por ejemplo, la hidrogeoquímica en diversos trabajos ha demostrado la interacción roca/agua, o la mezcla de las aguas provenientes de los acuíferos (Gastmans et al., 2012) o en conjunto con estudios isotópicos permite la identificación de las áreas de recarga, y descarga, mezcla de aguas de los diferentes acuíferos, direcciones del flujo (Lu et al., 2008; González-Ramón et al., 2013; Summa 2011; Haile & Abiye, 2012), o incluso el uso de los isótopos ambientales y los iones mayores, han revelado la conexión directa de manantiales termales con cuerpos de agua superficiales (Haile & Abiye, 2012).

Implicaciones de los MHC en la gestión integral del agua
Los acuíferos internacionales transfronterizos, presentan problemáticas diversas al ser compartidos entre 2 o más países. La normatividad y criterios sugeridos por la Organización de las Naciones Unidas (ONU) para estos acuíferos, permiten establecer las bases legales para construir la estrategia para la gestión sostenible, por lo que es relevante generar la información técnica básica necesaria, para establecer una estrategia de gestión conjunta de las aguas subterráneas transfronterizas. (Arreguín et al., 2018). 

De acuerdo al análisis del marco legal que regula las aguas subterráneas en México, Estados Unidos, Belice, Guatemala, estos países no cuentan con regulación específica sobre acuíferos transfronterizos. Existen diferencias entre los 4 países para definir, por un lado, las unidades geohidrológicas y por otro, el número de acuíferos transfronterizos compartidos. Existe una falta de información técnica y legal de los acuíferos transfronterizos con Belice, Guatemala y EUA. (Arreguín et al., 2018).

Por ejemplo, en la zona norte de la sierra de Chiapas, existen manantiales kársticos ricos en sulfuros, cuyas características físicas, geológicas, hidrológicas y químicas se integran en un modelo hidrogeológico conceptual y se estima un origen meteórico, definido a partir de su firma isotópica. El modelo conceptual indica que el agua de manantial salobre fluye a una profundidad de 2000 m, de acuerdo a las características químicas similares al agua producida de un pozo petrolero cercano a esta zona. En general se identifica la mezcla de tres acuíferos en función de las concentraciones de B, Li⁺, K⁺ y SiO₂, las temperaturas del agua y las presiones de CO₂., lo cual implica, la contaminación debido a la mezcla de agua profunda con agua más somera (Rosales Lagarde et al., 2014). Esta conexión hidráulica, se evidencia por los flujos ascendentes a través de las diferentes discontinuidades, como fallas y fracturas y deberá implementarse un sistema de gestión del agua, tomando como base su calidad.

La gestión de las aguas subterráneas en medios kársticos, se basa en una comprensión hidrológica limitada del acuífero. Las heterogeneidades geológicas que controlan el flujo de agua, frecuentemente no están suficientemente mapeadas. Dado que los acuíferos kársticos son muy vulnerables a la contaminación, la protección de las aguas subterráneas y la gestión del uso de la tierra son cruciales para preservar los recursos hídricos y mantener los servicios de los ecosistemas. 

En la Península de Yucatán se utilizó la simulación de modelos múltiples, que es uno de los acuíferos kársticos más grandes del mundo. El acuífero es la única fuente de agua dulce disponible para los usuarios humanos y los ecosistemas de la Península. Una de las áreas protegidas más grandes de México es la Reserva de la Biosfera de Sian Ka’an, que depende de las aguas subterráneas, es alimentada por la delgada capa de agua dulce del acuífero. El aumento de las extracciones de agua subterránea y la contaminación amenazan los recursos de agua dulce y, en consecuencia, la integridad del ecosistema de esta área natural protegida y su entorno. Se implementaron siete diferentes modelos conceptuales a escala de cuenca. Los modelos demostraron que los humedales de Sian Ka’an se alimentan de aguas subterráneas. Las cantidades de agua en los humedales y la dinámica de las inundaciones están determinadas por la mayor captación de agua subterránea (Gondwe et al., 2011).

Aplicación de los Modelos Hidrogeológicos Conceptuales (MHC) en la Minería
El agua subterránea se mueve a través de los materiales del subsuelo, y pocas veces se cuenta con la información sobre la cantidad y calidad del recurso hídrico en un área determinada, por lo que es importante contar con el apoyo de un hidrogeólogo, que genere, analice e interprete la información hidrogeológica básica, a fin de realizar un manejo adecuado de las aguas subterráneas.

Existen casos específicos a nivel local, en donde la minería cobra especial interés, debido a las controversias con otros grupos de usuarios quienes refieren, que su fuente de agua está siendo presuntamente afectada por el laboreo de las obras mineras. Sin embargo, existen algunos casos, en los que se han desarrollado estudios hidrogeológicos que incluyen un MHC. Estos modelos conceptuales, han permitido determinar esa posible afectación a fuentes de aguas superficiales o subterráneas y ha sido determinante en la toma de decisiones.

Un caso específico es el Estudio Hidrogeológico en Calpulálpam de Méndez, Ixtlán, Estado de Oaxaca  (Murillo et al., 2007), cuyo objetivo fue analizar las condiciones hidrogeológicas de la zona y, entre otras, determinar la posible relación del laboreo de la mina Natividad, con la merma y desaparición de manantiales, así como la posible afectación a un arroyo denominado la “Y”, que actualmente abastece de agua potable a la población, ya que se refiere, existe un sistema estructural de fallas y fracturas que podrían ser interceptadas por las obras mineras. Con el apoyo del MHC se llegó a la conclusión de que no existían evidencias técnicas, que indicaran que el laboreo en la mina Natividad pudiera afectar el caudal del aprovechamiento de agua superficial en estudio. (Figura. 3).

De acuerdo al Informe de Sustentabilidad 2021 de la Cámara Minera de México (CAMIMEX, 2021), la minería es una actividad esencial para impulsar el desarrollo social, cultural y económico del país, fundamental en las actividades industriales y económicas, y, además, responsable de los avances en la calidad de vida actual. Su objetivo está orientado hacia la sustentabilidad y el cumplimiento de los objetivos de desarrollo sostenible de la Organización de las Naciones Unidas al 2030. 

La minería moderna en México trabaja en minimizar su huella ambiental, con inversiones en la reducción del uso del agua, mediante el tratamiento y reciclado de la misma.

Puesto que una parte importante de la minería en el mundo, se realiza en zonas áridas o semiáridas la disponibilidad de agua y la competencia por este recurso hídrico escaso, constituye un aspecto primordial en la minería sustentable. La sobreexplotación de cualquier acuífero, tarde o temprano llegará a su agotamiento, especialmente en zonas donde la recarga es muy baja (Oyarzún & Oyarzun, 2011). 

Por lo anterior, es relevante definir los modelos hidrogeológicos conceptuales de cada área de estudio en donde se pretenda llevar a cabo una obra o actividad, la cual tenga relación directa con el subsuelo.

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1.Universidad de Guanajuato, Departamento de Minas, Metalurgia y Geología
2.Servicio Geológico Mexicano