4 marzo, 2024 4:13 pm

El cambio climático, la sobreexplotación de los mantos acuíferos y sus efectos en la infraestructura civil de la Ciudad de México

La infraestructura de la Ciudad de México está siendo afectada por los efectos del cambio climático, que se manifiestan como heladas, inundaciones, deslizamientos de tierra, sobrecarga de agua y sequías, todo ello aunado a las repercusiones de la sobreexplotación de los mantos acuíferos a partir de la subsidencia, como son los cambios en las propiedades dinámicas del suelo, grietas de tensión así como asentamientos diferenciales y emersión aparente de los edificios.

Silvia García Benítez Ingeniera civil, maestra y doctora en Geotecnia. Investigadora titular A del Instituto de Ingeniería de la UNAM desde hace más de 20 años. Asesora y consultora del Gobierno de la CDMX.

Renato Berrón Ruiz Ingeniero civil, maestro en Estructuras y doctor en Ingeniería. Corresponsable en Seguridad Estructural desde 1999 con más de 20 años de experiencia en el campo del diseño estructural. Director general del Instituto para la Seguridad de las Construcciones de la Ciudad de México.

Los humanos somos los mayores responsables del calentamiento global de los últimos 200 años. Ciertas actividades producen gases de efecto invernadero que han elevado la temperatura promedio de la Tierra 1.1 °C sobre la registrada a finales del siglo XIX, y más que en cualquier otro momento de los últimos 100,000 años. Se piensa que el cambio climático significa principalmente temperaturas más cálidas, pero este es solo el comienzo de la historia. Debido a que la Tierra es un complejo sistema interconectado, ciertas alteraciones en estados o regiones pueden influir generando sequía, disminución de los recursos hídricos, reducción de las capas de hielo, inundaciones y erosión en las zonas costeras, acidificación de los océanos, aumento del nivel del mar, disminución de la biodiversidad y exacerbación de fenómenos meteorológicos.

Cada centro urbano experimenta el cambio climático de forma particular, y el grado de afectación se asocia a las capacidades de sus sistemas de alimentación, vivienda, seguridad y trabajo. Las ciudades son espacios complejos en los que se dan múltiples formas de interacción que, frente a la problemática climática, deben ser controlados en al menos tres aspectos: emisiones, vulnerabilidad y capacidad de respuesta.

Efectos del cambio climático en el subsuelo

Es un hecho que el calor aumenta debido a la urbanización. El fenómeno isla de calor, que es la elevación localizada de la temperatura en entornos urbanos respecto al área rural circundante, se presenta particularmente en grandes ciudades “de concreto”, por la dificultad para disipar el calor durante las horas nocturnas, ya que los edificios y el asfalto desprenden por la noche el calor acumulado durante el día. Su efecto genera el aumento de los extremos de calor en el verano y de los de frío en invierno; además, provoca cambios de temperatura subterránea, así como la deformación del suelo, las rocas y los materiales de construcción, por la variación excesiva de la temperatura, lo que afecta el desempeño de la infraestructura civil.

Para conocer el nivel de anomalías causadas por el calor subterráneo, se debe realizar la instalación estratégica de sensores de temperatura acoplados a redes que detecten deformaciones y desplazamientos, para medir su compatibilidad con los requisitos operativos de las estructuras civiles. Para registrar, analizar e interpretar adecuadamente los impactos, los tiempos en activo de estas redes deben ser largos para contemplar estados contradictorios.

Si nos concentramos en las áreas más pobladas de la CDMX que están enfrentando incrementos de temperatura, se infiere que sus suelos deben estar deformándose por calor, pero esta consecuencia se intensifica cuando se combina con otros efectos del cambo climático.

Las inundaciones, las altas temperaturas, las granizadas y las tormentas eléctricas afectan el funcionamiento de la CDMX. El perjuicio es relativo a los estados de capacidad de respuesta de cada sitio. La verificación de las secuelas y las estrategias para minimizarlas es tarea instalada en diferentes órganos de gobierno e instituciones de investigación científica, pero la lectura y análisis de los efectos indirectos de los cambios en el clima sobre los estados de las masas de suelo y roca, cimientos de las obras civiles, presenta grandes complicaciones. Para aumentar la resiliencia de las urbanizaciones capitalinas, los planificadores deben desarrollar alternativas de refuerzo y adaptación de la infraestructura sometida a estas nuevas circunstancias.

Efectos del cambio climático en la sobreexplotación de los mantos acuíferos

En lo que va de este 2023, varios estados de la República mexicana han registrado incrementos de temperatura con respecto a su temperatura media anual durante semanas, con sensación térmica que llega a ser mayor que 45 °C (a la intemperie). El calor intenso se ha asociado al cambio climático y se pronostica que el riesgo de eventos extremos de temperatura y lluvia aumentará significativamente. En este contexto de calor extremo, debe considerarse la sequía y la necesidad de dotar agua potable a los capitalinos. Más del 60% del agua que se utiliza en la CDMX se extrae del sistema acuífero de su zona metropolitana a una tasa del doble de lo que se recarga de manera natural. La carga del acuífero ocurre naturalmente a través de mecanismos de infiltración (precipitación pluvial, escurrimientos superficiales o agua almacenada), pero los cambios en la cubierta vegetal, la erosión del suelo y la sequía disminuyen o anulan estos procesos. El acuífero sobreexplotado de la CDMX tiene síntomas absolutos de abatimiento: incremento de tasa/costos de bombeo, desaparición de salidas de manantiales y detrimento de la calidad del agua.

Efectos de la sobreexplotación de los mantos acuíferos sobre la infraestructura

El incremento de calor y la sequía generan más demanda de agua, lo que agrega presión para explotar nuevos acuíferos subterráneos más distantes a altos costos o apostar por extraerla en mayor cantidad de los ya conocidos, siendo esta segunda por la que se ha optado, situación que modifica al acuitardo arcilloso que separa a la ciudad del acuífero. La extracción deforma los suelos y provoca problemas en la red de agua potable y drenaje, además de cambiar la respuesta de las masas que soportan a las superestructuras, pues les genera esfuerzos adicionales.

Cuando el límite de falla de las estructuras es rebasado, el colapso de la infraestructura podría darse en cualquier momento. Esta catástrofe en cámara lenta amenaza la estabilidad de los edificios y las instalaciones subterráneas de forma alarmante, y resulta indispensable la intervención gubernamental.

La exposición es creciente y compleja de evaluar. Por ejemplo, la extracción de agua subterránea hace que los suelos debajo de ciertas áreas se hundan más que las circundantes, y esto provoca que las alcantarillas colapsen y provoquen inundaciones, con un alto costo económico.

En zonas sísmicas, respecto al efecto de subsidencia como indicador de exposición potencial, se ha verificado que los suelos saturados con agua subterránea son más estables que los suelos desestabilizados por la extracción de esta, es decir, tienen mayor probabilidad de cambiar sus características cuando ocurre un terremoto, puesto que la carga dinámica debe asociarse a un suelo menos estable.

Hundimiento regional y asentamientos diferenciales

Los cambios superficiales asociados con la sobreexplotación de los acuíferos se generan porque las capas compresibles, a medida que se extrae el agua, reducen su presión de poro, y cambian así el esfuerzo efectivo que sobre ellas ejercen las capas superiores del terreno y precipitan la consolidación, situación a menudo irreversible. Así, se reduce el volumen total de limos y arcillas y la superficie del terreno desciende. El daño en la superficie es mayor si hay asentamientos diferenciales, sumideros o fisuras (véase figura 1).

El hundimiento sostenido del terreno genera que el potencial de almacenamiento de agua se reduzca significativamente, puesto que la extracción de agua subterránea y la consiguiente disminución del nivel freático causan la compactación permanente de capas de sedimentos finos (limos y arcillas). Algunos estudios indican, que aun deteniendo la sobreexplotación de los mantos acuíferos, la superficie terrestre continuaría hundiéndose durante décadas.

Las capas heterogéneas con tasas de compresibilidad erráticas se deforman con patrones difíciles de reconocer y corregir con soluciones de cimentación simplistas. Actualmente hay que sumar el efecto del calentamiento con asentamientos diferenciales que se agravan por el debilitamiento del suelo, pérdida local de agua o complejos túneles de erosión (véanse figura 2a y 2b).

La falla de las instalaciones subterráneas por el dislocamiento debido a los asentamientos diferenciales de los suelos genera problemas en el funcionamiento de la CDMX y provoca daños económicos, sociales y ambientales (véase figura 3a). Otro tipo de fallas ligadas a estos suelos pueden ser: pozos de extracción o inyección cuya estructura de revestimiento cede o se derrumba; oleoductos y gasoductos que se rompen y permiten la fuga de las sustancias que conducen, con efectos secundarios no deseables; fugas de agua (residual y potable) que erosionan el suelo y generan cavernas cuyos techos podrían colapsar (véase figura 3b).

Con respecto a la infraestructura, esta pierde verticalidad por los efectos de la subsidencia o por una grieta. Se ha observado que los hundimientos diferenciales de los edificios que no cuentan con una cimentación rígida generan deformación de sus elementos estructurales; los agrietan, los debilitan y pueden llegar a exceder su resistencia y ocasionar la inestabilidad o el colapso de los edificios (véase figura 4a).

Para el caso de edificios con cimentación rígida, se hunden diferencialmente como cuerpo rígido; se genera el efecto P-∆, que incrementa los esfuerzos en los elementos estructurales. Por otro lado, se reduce la separación de colindancia con el edificio vecino y se corre el riesgo de golpeteo durante un sismo (véase figura 4b).

Emersión

Este fenómeno se da cuando las cimentaciones no descienden conforme se comprimen las capas de suelo circundante donde se desplantan. Cuando la región alrededor de un edificio se hunde y este no puede seguir la deformación de la masa del suelo por estar apoyado en una Capa Dura que no se desplaza con la misma velocidad, el edificio emerge aparentemente con respecto a su alrededor (véase figura 5a).

El problema no se da únicamente en cuanto a la operación del edificio (grandes desniveles), sino que existe una alteración en su seguridad estructural. En estas condiciones, las cimentaciones que no descienden quedarán desprovistas del material que las confina: tanto las losas de cimentación como las contratrabes, pilas y pilotes. Estos últimos elementos trabajarán como columnas que deberán resistir el cortante basal que genera el sismo (véase figura 5b), condición para la que no fueron diseñados. Por otra parte, las losas de cimentación y contratrabes trabajarán en el sentido inverso a como fueron concebidas en aquellos casos en los que no se previó la emersión (véase figura 6). Esto representa un riesgo de falla estructural, además de impedir que la cimentación conduzca las cargas de forma adecuada.

Cambio de periodo fundamental de vibración del suelo

Los parámetros que controlan la respuesta sísmica de los suelos compresibles están directamente relacionados con su espesor: si este disminuye por la consolidación natural o inducida, también lo hace el periodo dominante de vibración, y la velocidad de ondas de corte aumenta. El problema radica en que la aceleración a la que van a estar sujetas las estructuras construidas sobre los depósitos de suelo podría no verse representada a través de los espectros de respuesta, es decir, el problema que eventualmente podría presentarse al cambiar las propiedades dinámicas del suelo es la disminución de su periodo dominante de vibración, pudiendo coincidir con el periodo de vibrar de la estructura, y se generaría el fenómeno de resonancia, situación que se debe evitar en un buen diseño sísmico.

Grietas de tensión

En los últimos sismos se pudo comprobar la alteración en la continuidad de las masas de suelo en la llamada Costra Superficial, compuesta de gravas, arenas limosas o mezclas muy diversas con, incluso, residuos de construcción y demolición o basura, con compacidad media a densa, y cuyo espesor puede ser desde algunos centímetros hasta varios metros.

Cuando esta capa –con contenidos de agua bastante más bajos que los de la Formación Arcillosa Superior que la subyace– es alterada por desecación, existe un movimiento asíncrono entre las “piezas” grandes y las matrices finas, lo que en muchos casos termina por causar asentamientos diferenciales de muy alta escala o provoca enjambres de fisuras que promueven canales de erosión.

Caso especial lo representan las capas a profundidad que estaban agrietadas por cambios de temperatura o tensionales cuando arribaron las ondas sísmicas y esto produjo una alteración a la respuesta esperada de la cimentación, situación imposible de anticipar si la fisura no tenía expresión en superficie (véase figura 7).

Acciones gubernamentales

El gobierno ha emprendido algunas de las acciones encaminadas a conocer el origen, comportamiento y efectos de la subsidencia. Por otro lado, existen programas para la rehabilitación de inmuebles afectados por este fenómeno.

El Gobierno de la CDMX, a través del Instituto para la Seguridad de las Construcciones, apoya la realización de proyectos y estudios de investigación enfocados en el agrietamiento del subsuelo en las alcaldías Iztapalapa, Tláhuac, Xochimilco y Milpa Alta. Los resultados han permitido definir zonas que presentan un mayor potencial de aparición de grietas, así como los diferentes tipos de grietas que se presentan.

El Instituto de Vivienda de la CDMX cuenta con un programa de expropiación de inmuebles en alto riesgo por asentamientos diferenciales o por el agrietamiento del subsuelo producto de la subsidencia; una vez expropiado, el inmueble se interviene estructuralmente respetando su valor histórico o cultural, si es un edificio catalogado. En caso contrario, se demuele y se construye un nuevo edificio.

Se realizaron reformas al Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal relativas a la renovación de la Constancia de Seguridad Estructural sustentada en la revisión numérica de los estados límite de falla y de servicio para todos los edificios pertenecientes a los grupos A y B1. En este proceso se debe verificar si el periodo dominante del subsuelo coincide con el periodo fundamental del edificio; en caso afirmativo, se deberá implementar una rehabilitación que lo evite.

Conclusiones

El estado de deformaciones y desplazamientos que afectan a la CDMX, según el caso, puede ser incompatible con los requisitos operativos y de seguridad estructural de los edificios. El impacto del cambio climático en el subsuelo, aunado a la sobreexplotación de los mantos acuíferos, debería considerarse en futuras estrategias de planificación urbana para evitar daños estructurales y mal funcionamiento. Sus efectos son un peligro silencioso que genera cuantiosas pérdidas humanas y materiales. Cuando algún fenómeno meteorológico o sísmico afecta a la capital, es crucial que se estudien y prevean las afectaciones, para cerrar la brecha y construir una ciudad saludable.

Este, como otros muchos problemas generados por el ser humano, no puede ser abordado desde miradas unilaterales. Para enfrentar esta problemática se requieren acuerdos entre los generadores de infraestructura, los estudiosos del cambio climático y los gobernantes, para implementar acciones que sean soluciones técnicas y factibles también desde lo social

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