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Descripción del acuífero y su explotación

La compleja geología de la Cuenca de México ha proporcionado a lo largo de la historia abundantes recursos de agua a sus habitantes a pesar de la escasez de agua superficial. En este capítulo se describen brevemente las características físicas y la hidrogeología de la cuenca, especialmente de la porción sur, donde la presencia humana ha sido un factor importante desde los tiempos de la capital azteca de Tenochtitlán. La historia de la explotación del acuífero de la Ciudad de México y los problemas de hundimiento asociados a él se examinan brevemente, asimismo se examina la disponibilidad de agua en el acuífero.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E HIDROGEOLÓGICAS

La Cuenca del Valle de México se localiza en la parte central del Cinturón Volcánico Transmexicano y tiene un área aproximada de 9000 kilómetros cuadrados. El valle, situado a una altitud cercana a los 2,400 metros sobre el nivel del mar, es el más alto de la región y se encuentra rodeado por montañas que alcanzan elevaciones superiores a los 5000 metros. La temperatura promedio anual es de 15 grados centígrados (alrededor de 60 grados Farenheit). La mayor parte de los 700 milímetros de agua de lluvia que caen anualmente en la región se concentra en unas cuantas tormentas intensas, las cuales se presentan por lo regular de junio a septiembre; durante el resto del año las precipitaciones pluviales suelen ser escasas o nulas.

Esta cuenca es una depresión cerrada de manera natural, que a fines del siglo XVIII fue modificada artificialmente para controlar las inundaciones en



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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability 3 Descripción del acuífero y su explotación La compleja geología de la Cuenca de México ha proporcionado a lo largo de la historia abundantes recursos de agua a sus habitantes a pesar de la escasez de agua superficial. En este capítulo se describen brevemente las características físicas y la hidrogeología de la cuenca, especialmente de la porción sur, donde la presencia humana ha sido un factor importante desde los tiempos de la capital azteca de Tenochtitlán. La historia de la explotación del acuífero de la Ciudad de México y los problemas de hundimiento asociados a él se examinan brevemente, asimismo se examina la disponibilidad de agua en el acuífero. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E HIDROGEOLÓGICAS La Cuenca del Valle de México se localiza en la parte central del Cinturón Volcánico Transmexicano y tiene un área aproximada de 9000 kilómetros cuadrados. El valle, situado a una altitud cercana a los 2,400 metros sobre el nivel del mar, es el más alto de la región y se encuentra rodeado por montañas que alcanzan elevaciones superiores a los 5000 metros. La temperatura promedio anual es de 15 grados centígrados (alrededor de 60 grados Farenheit). La mayor parte de los 700 milímetros de agua de lluvia que caen anualmente en la región se concentra en unas cuantas tormentas intensas, las cuales se presentan por lo regular de junio a septiembre; durante el resto del año las precipitaciones pluviales suelen ser escasas o nulas. Esta cuenca es una depresión cerrada de manera natural, que a fines del siglo XVIII fue modificada artificialmente para controlar las inundaciones en

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability la ciudad. Las fuentes de recarga del agua subterránea en la cuenca se derivan, en gran medida, de las precipitaciones infiltradas y de la nieve derretida en las montañas y cerros que la rodean; este flujo se desplaza en forma de una corriente subterránea hacia las zonas menos elevadas. En su estado natural, la cuenca tenía una serie de lagos, desde los de agua dulce en el extremo superior, hasta los salados del extremo más bajo, en los que se concentraba la sal debido a la evaporación. La corriente de agua subterránea originaba numerosos manantiales al pie de las montañas, así como pozos en el valle (figura 3–1). Geológicamente, el área sur de la Sierra Guadalupe es la porción mejor investigada de la Cuenca de México. A esta área, que abarca la Ciudad de México, suele denominársele Valle de México, o porción sur de la cuenca, ya que está parcialmente dividida por varias montañas de menor elevación. De igual manera, al sistema acuífero con frecuencia se le llama Acuífero de la Ciudad de México. Los detalles de la geología subsuperficial de esta área, mostrados de manera esquemática en la figura 3–2, han sido descritos por Mooser (1990) y por Mooser y Molina (1983). La información se basa en datos tomados de una serie formada por cuatro pozos profundos de exploración y perfiles realizados por sísmica de reflexión, llevados a cabo por Petróleos Mexicanos (Pemex), la compañía de petróleo propiedad del gobierno, tras el terremoto del 19 de septiembre de 1985. Los depósitos de arcillas lacustres superficiales (por ejemplo, la capa de arcilla existente tanto en el fondo del lago antiguo como en el del actual) cubren el 23 por ciento de las elevaciones menos pronunciadas del Valle de México. Los depósitos aparecen en formaciones divididas, por lo que se conocen como “capa dura”. Compuesta principalmente de sedimentos y arena, la capa dura se localiza entre los 10 y los 40 metros de profundidad y sólo tiene unos cuantos metros de espesor. A las capas de arcillas lacustres superficiales que alcanzan una profundidad de 100 metros se les denomina acuitardo, y son considerablemente menos permeables que la capa dura o los sedimentos aluviales subyacentes. En el siglo XIX, al explotarse el agua del subsuelo por primera vez, la capa dura dio origen a los primeros pozos artesianos. El relleno aluvial se encuentra por debajo de las arcillas lacustres y tiene un espesor de 100 a 500 metros. Este material está interestratifícado con depósitos de basalto, tanto del Pleistoceno como recientes; juntos, abarcan la porción superior del acuífero principal en explotación (unidades 2, 3 y 4 de la figura 3–2). Otra unidad inferior del acuífero, compuesta por depósitos volcánicos estratificados que tienen de 100 a 600 metros de espesor, alcanza una profundidad que va de los 500 hasta los 1000 metros, aproximadamente (unidad 6 de la figura 3–2.). Esta unidad más profunda está limitada por un depósito de arcillas lacustres del Plioceno. Tres principales zonas hidrológicas han sido definidas para el Valle de México: la zona lacustre, arriba descrita, el piedemonte o zona de transición y la zona montañosa. La distribución de estas tres zonas puede inferirse al anal-

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability Figura 3–1 Interpretación del sistema de flujo del agua subterránea en la Cuenca de México. La infiltración de las precipitaciones y el deshielo de la nieve de las montañas que lo rodean forman un nivel freático profundo (A) con gradientes negativos, algunos de los cuales existen en niveles freáticos someros (Bi) en la base de colinas o regiones piedemonte; la mayor parte fluye por debajo del valle y hacia arriba, a través de las arcillas como descarga difusa (Bii) y como manantiales termales (Biv) a través de las fracturas del acuífero profundo. Todas las pérdidas de agua de la cuenca cerrada ocurren por evapotranspiración (C). Fuente: Durazo y Farvolden, 1989. izar el mapa de elevaciones de la figura 3–3. La zona lacustre corresponde a las elevaciones de menor altura. La región piedemonte se encuentra por lo general entre el lecho de los antiguos lagos y las montañas de mayor pendiente. Aquí, las capas de arcilla lacustre se intercalan con las de sedimento y arena; en las áreas más cercanas a la base de las montañas, el piedemonte está compuesto en gran medida por basalto fracturado de flujos volcánicos. La formación de basalto es altamente permeable, con una buena capacidad de almacenamiento, y es considerada como el componente principal del acuífero en explotación; se encuentra expuesta cerca de la porción superior del piedemonte y se extiende por debajo de los depósitos aluviales del valle. El piedemonte, conocido también como zona de transición, es importante para la recarga natural del acuífero. Las montañas que circundan la Cuenca de México son de origen volcánico. La Sierra Nevada se encuentra hacia el este, mientras que la Sierra de las Cruces se localiza hacia el oeste. La Sierra Chichinautzin, en el sur, forma la cadena más reciente. Su erupción ocurrió hace aproximadamente 600,000 años, bloqueando lo que antes fue un drenaje hacia el sur y cerrando definitivamente la cuenca. La Sierra Chichinautzin es la zona de recarga natural del acuífero de la ZMVM, debido a la alta permeabilidad de su roca de basalto. Los grandes manantiales de Xochimilco son un punto de descarga del flujo subterráneo; aquí se localizan algunos de los pozos más productivos del área. Debido a que toda la cuenca se encuentra rodeada por montañas, probablemente existan otras zonas de recarga del acuífero. El modelo conceptual de la porción sur de la cuenca ha permitido identificar dos unidades permeables más profundas: un acuífero intermedio y otro profundo. Ambos están pobremente caracterizados, pero se les considera inde-

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability Figura 3–2 Estratigrafía esquemática de la porción sur de la Cuenca de México. Los números en la figura se refieren a las siguientes unidades: (1) depósitos de arcilla lacustre; (la) capa dura (representada con linea punteada); (2) relleno aluvial; (3) basalto del Pleistoceno y más reciente, incluyendo la Sierra Chichinautzin; (4) formación Tarango; (4a) zona montañosa elevada; (5) colinas volcánicas y depósitos; (6) depósitos volcánicos estratificados; (7) formación montañosa del Plioceno; (8) depósitos lacustres más profundos del Plioceno; (9) depósitos volcánicos del Mioceno; (10) y (10a) depósitos volcánicos del Oligoceno; (11a) y (11b) base de calizas del Cretácico. La porción superior del acuífero principal está compuesta por las unidades (2), (3) y (4). La parte inferior del acuífero principal está integrada por la unidad (6). Las unidades (9), (10) y (11), que tampoco poseen caracterización, son consideradas acuíferos más profundos, diferentes del acuífero principal en explotación. Adaptado de Mooser, 1990. pendientes del acuífero principal. El acuífero intermedio se compone de depósitos volcánicos del Mioceno (unidades 9, 10 y 10a de la figura 3–2). La formación subyacente de calizas del Cretácico (unidades 11a y 11b de la figura 3–2) puede también ser un acuífero. En los lugares donde la formación de calizas se encuentra expuesta3/4la parte exterior de la porción sur de la cuenca3/4es donde generalmente se efectúa la explotación de agua subterránea. Históricamente, el principal acuífero abastecedor de agua estuvo sujeto a la presión artesiana, de manera que todos los pozos del fondo del valle llevaban el

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability Figura 3–3 Zonas de elevación en la Cuenca de México. La zona lacustre ocupa las elevaciones menores de la cuenca (tono claro). La región de piedemonte, o zona de transición (tono sombreado), se encuentra en las pendientes altas y bajas. El tipo de elevación más alta corresponde a la zona montañosa. agua a la superficie sin necesidad de bombeo. Los gradientes hidráulicos naturales provocaban que el agua ascendiera sobre los acuitardos arcillosos, tal y como se muestra en la figura 3–1. La proliferación de pozos en los últimos cien años ha cambiado las condiciones hidrológicas naturales. Ahora, los gradientes y el flujo en las capas superiores de los depósitos se encuentran, generalmente revertidos, hacia las zonas de mayor extracción. DESCENSO DEL NIVEL DE AGUA EN EL ACUÍFERO Y HUNDIMIENTO DEL TERRENO En sus orígenes, en el siglo XIV, la ciudad azteca de Tenochtitlan utilizaba un elaborado sistema de acueductos para llevar agua de manantial desde la parte más alta de la porción sur de la Cuenca de México hasta la ciudad situada

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability Fotografía 3–1 Como ejemplo de la magnitud de hundimiento, se muestra una tuberia de un pozo elevándose alrededor de 7 metros sobre el nivel del piso, en un barrio de la Ciudad de México. Los niños del vecindario señalan su altura en el tubo para ver si ellos crecen más rápido que lo que el suelo se hunda. Cortesía de Robert Farvolden. en tierra y ganada al lago salino de Texcoco. Tras vencer a los aztecas en 1521, los españoles reconstruyeron estos acueductos y continuaron utilizando agua de manantial hasta mediados del siglo XIX. El descubrimiento en 1846 de agua potable subterránea proveniente de los pozos artesianos, provocó un furor por la perforación de pozos (Orozco y Berra, 1864). Hacia estos años, la extracción creciente de agua de pozo, combinada con los métodos artificiales de drenado del valle, provocó que muchos manantiales naturales se secaran, que los lagos menguaran y que el agua del subsuelo perdiera presión, con la subsecuente consolidación de las formaciones de arcilla lacustre sobre las que se asienta la ciudad. El consecuente hundimiento del terreno ha constituido un serio problema para la ZMVM desde principios del siglo XX. En 1953 ya se había demostrado

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability que dicho hundimiento estaba asociado a la extracción de agua subterránea, por lo que muchos pozos del área urbana fueron clausurados. Uno de los primeros signos de disminución en el nivel del agua subterránea fue el desecamiento de los manantiales naturales en los años treinta, hecho que coincidió con la explotación intensiva del acuífero principal por medio de pozos profundos (de 100 a 200 metros de profundidad). Aunque los niveles de agua subterránea se han medido durante décadas, estas mediciones fueron realizadas para proyectos muy específicos y, por lo tanto, no resultaron un indicador acertado del descenso que se comenta. En 1983 comenzó el muestreo sistemático de los niveles de agua en el acuífero (Lesser-Illades et al., 1990). Desde entonces, el promedio anual de descenso del agua subterránea va de 0.1 a 1.5 metros por año en las diferentes zonas de la ZMVM. Los niveles del agua durante el periodo que va de 1986 a 1992 muestran un descenso neto de 6 a 10 metros en las zonas más intensamente bombeadas de esta región. Cuando el acuífero somero fue bombeado en forma extensiva, hacia 1850 y los últimos años del mismo siglo, el hundimiento del terreno ya tenía lugar. Cerca de 1895, el hundimiento había alcanzado un promedio de cinco centímetros por año. Con el creciente bombeo efectuado en el periodo que va de 1948 a 1953, el hundimiento había llegado a los 46 centímetros por año en algunas áreas. De acuerdo con la Gerencia de Aguas del Valle de México, el hundimiento neto en los últimos cien años ha hecho descender el nivel del suelo de la ZMVM un promedio de 7.5 metros. El resultado ha sido un daño extensivo a la infraestructura de la ciudad, que abarca los cimientos de los edificios y el sistema de alcantarillado. Por el lugar que ocupa en el fondo del valle, la Ciudad de México siempre ha estado sujeta a las inundaciones. Como se ha visto, uno de los problemas más serios causados por el hundimiento es el descenso del nivel de la Zona Metropolitana respecto al lago de Texcoco—el punto bajo natural de la porción sur de la cuenca. En 1900, el fondo del lago era 3 metros más profundo que el nivel medio del centro de la ciudad. Alrededor de 1974, el fondo del lago ya se encontraba dos metros más arriba. Estos cambios han agravado el problema de las inundaciones y han orientado la evolución del complejo sistema de drenaje creado para controlarlas (figura 3–4). A principios del siglo XIX, el drenaje de la ciudad era conducido mediante gravedad por el llamado Gran Canal del Desagüe, para finalmente desembocar por el túnel de Tequisquiac, al extremo norte del valle. Hacia 1950, el hundimiento de la ciudad era ya tan serio que hubieron de construirse diques para confinar la corriente de agua pluvial; asimismo, fue necesario bombear para elevar el agua del drenaje subterráneo al nivel del Canal del Desagüe. El aumento relativo del nivel del lago continuó amenazando a la Zona Metropolitana de la Ciudad de México con inundaciones, lo que llevó a la necesidad de trabajar en el sistema de drenaje profundo y en las excavaciones para hacer más hondo el lago de Texcoco.

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability FIGURA 3–4 Hundimiento de la Zona Metropolitana de la Ciudad de México. En esta figura se muestra el hundimiento progresivo de la ciudad en relación al Gran Canal del Desagüe. El sistema original, que funcionaba por gravedad, fue desactivado debido al fenómeno de hundimiento; alrededor de 1950 se hizo necesario instalar sistemas de bombeo para drenar el agua pluvial fuera de la ciudad. El hundimiento siguió causando problemas de inundación. En 1960, se construyó un sistema de interceptores de drenaje y recolectores profundos (Emisor Central), junto con una nueva salida artificial para la Cuenca de México. Fuente: Departamento del Distrito Federal, 1990a.

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability En 1953, debido al severo hundimiento del centro de la ciudad, se clausuraron muchos pozos, al tiempo que se inició la construcción de otros nuevos en las regiones meridionales de Chalco, Tláhuac y Xochimilco. La velocidad normal de bombeo, 12.2 metros cúbicos por segundo, ha provocado en esta región hundimientos y descenso de los niveles del agua. Se han formado varios lagos en las depresiones creadas por la caída de los niveles del terreno en el área de bombeo. Al continuar los trabajos de bombeo, estos lagos continúan expandiéndose. La figura 3–5 muestra el hundimiento relativo del área del centro de la Ciudad de México y la llanura de Chalco, a partir de 1935, aproximadamente, y hasta la fecha (Ortega et al., 1993). En 1925, Roberto Galo reportó a la Sociedad Mexicana de Ingenieros y Arquitectos que las investigaciones mostraban el paulatino hundimiento de la Ciudad de México; Gayol agregaba que la causa de esto era, posiblemente, el drenaje del subsuelo, relacionado con la entonces reciente construcción del Gran Canal del Desagüe y del túnel de Tequizquiac. La relación entre el hundimiento y la explotación del acuífero ha sido examinada muy de cerca desde aquella época. Nabor Carrillo fue el primero en desarrollar un modelo matemático para determinar la relación entre el hundimiento y el sistema hidrológico (Carrillo, 1948). Se instalaron pozos de observación y se empezaron a desarrollar programas institucionales de investigación a través de la Comisión Hidrológica del Valle de México y sus sucesores, la Comisión de Aguas del Valle de México y la Gerencia de Aguas del Valle de México (SAHR, 1953). Hiriart y Marsal (1969) realizaron una de las primeras revisiones exhaustivas del hundimiento. Se desarrollaron modelos más avanzados para sistemas semiconfinados de agua subterránea y para el sistema multiacuífero de la porción sur de la Cuenca de México, mismos que fueron aplicados al hundimiento de la Zona Metropolitana del Valle de México (Herrera y Figueroa, 1969; Herrera, 1970), así como a otras investigaciones similares (Bredehoeft y Pinder, 1970). El Distrito Federal emplea en la actualidad versiones más recientes de dichos modelos (Herrera et al., 1989; Herrera et al., 1994), junto con una red de 320 pozos de observación para determinar los niveles del agua y la dirección del flujo. Cada dos años se realizan más de 1,400 inspecciones para medir las variaciones del hundimiento. BALANCE DE AGUA DEL ACUÍFERO Es común recurrir a un balance de agua para determinar el volumen de agua disponible para ser utilizada; asimismo, cuando se considera necesario, se intenta hacer un balance de agua subterránea. En general, este balance representa un cálculo más o menos exacto, debido a que la entrada principal de agua a un depósito de agua superficial3/4la precipitación pluvial3/4puede medirse. Las estimaciones del comportamiento de un sistema de agua subterránea se hacen menos precisas debido a que todos los datos que intervienen en los cálcu-

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability FIGURA 3–5 Medidas del hundimiento en el área del centro de la Ciudad de México y la llanura de Chalco, donde se ha llevado a cabo una extracción masiva de agua subterránea. La linea gruesa muestra el alcance de las mediciones en el área central de la ciudad. La linea punteada indica el hundimiento estimado en la llanura de Chalco antes de 1984. Fuente: Adaptado de Ortega et al., 1993. los (propiedades de los medios, geología del subsuelo y definición de los sistemas de flujo) poseen un margen de error inherente que los hace inciertos. Finalmente, casi todos los sistemas de agua subterránea responden a las presiones con mucha mayor lentitud que los sistemas de agua superficial, de modo que los balances de agua no se emplean muy a menudo, excepto para consideraciones a largo plazo. Otra complicación consiste en que el balance de agua para el acuífero puede ser del todo distinto al correspondiente al sistema de agua subterránea en su conjunto; gran parte del agua que ingresa al agua subterránea puede no llegar al acuífero principal en cuestión. Por mucho, la mejor manera para determinar el balance del agua de un acuífero, es utilizar registros para el largo plazo de bombeo y de niveles de agua subterránea. Los descensos en los niveles de agua demuestran que el volumen de agua que está saliendo del sistema es mayor que el que ingresa, lo que indica

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability un estado de sobreexplotación. Los acuíferos menos explotados permanecen en un estado de quasi-equilibrium. En tales casos, pueden esperase fluctuaciones cíclicas o estacionales, pero a falta de grandes variaciones climáticas los niveles de agua a largo plazo permanecen estables en condiciones naturales. Mediciones de campo han probado que el nivel freático de la porción superior del acuífero principal que abastece a la Ciudad de México ha descendido, aproximadamente, un metro por año (Herrera et al., 1994); según estos cálculos la sobreexplotación del acuífero está ocurriendo desde principios de este siglo, por lo menos. Cuánto tiempo podría durar esta clase de explotación es una pregunta que ha sido puesta a debate. Los mejores cálculos acerca de la cantidad de agua subterránea almacenada provienen de investigaciones realizadas en la porción sur de la Cuenca de México (generalmente en la Sierra de Guadalupe), donde se han efectuado numerosos estudios geológicos. Al estimar el volumen de agua subterránea almacenada, es importante considerar las contribuciones de la capa de arcilla superior, así como el hecho de que esta capa (el acuitardo) no actúa como una capa confinante en un 30 por ciento de su extensión, ahí donde los niveles del agua han descendido por abajo del límite de esta capa. Sobre la base de las mediciones de campo y los modelos de esta región, el total del volumen saturado del acuífero en la parte sur de la cuenca ha sido estimado en 1,189.3 billones de metros cúbicos. La explotación anual en esta región se estima de 27.9 mcs1. Esta cifra de extracción equivale a una pérdida de agua subterránea que oscila entre 3.45 y 5.59 billones de metros cúbicos anuales. La diferencia estriba en que los cálculos consideren, o no, que el agua que se queda en el acuitardo contribuye al volumen de agua del acuífero principal. A esta velocidad de extracción, el volumen calculado de almacenamiento es de 212 a 344 veces el volumen de explotación anual (véase Herrera et al., 1994, y AIC-ANIAC, 1994, para más detalles sobre este cálculo). Aunque esta clase de balance de agua se usa comúnmente para calcular las variaciones en los volúmenes de agua subterránea, no representa una base confiable para desarrollar cifras de extracción a largo plazo. En la Zona Metropolitana del Valle de México, el hundimiento es el castigo a la sobreexplotación. El daño que esto representa para el sistema de drenaje y otras obras públicas ha sido señalado con anterioridad. Además, como se describirá de manera amplia en el capítulo 4, el acuífero es vulnerable a la contaminación que acompaña la consolidación, desecación y fracturamiento de las capas de arcilla del acuitardo. Una aproximación simple a través de un balance de agua no aporta información adicional. El volumen real disponible en el acuífero principal sería de igual manera menor al estimado, debido a la probable disminución de la porosidad con respecto a la profundidad. También hay límites prácticos y económicos 1   La tasa de extracción total de la Cuenca de México para el abasticimiento de ZMVM es estimada metros cubicos por secundo (vease Capitulo 4).

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Mexico City’s Water Supply: Improving the Outlook for Sustainability para el bombeo a profundidad. Por último, las pruebas realizadas a los pozos profundos explorados por Pemex a fines de los ochenta indican la probabilidad de que existan problemas de calidad en el agua geológicamente inducida, debido a la profundidad, cada vez mayor, de los acuíferos. Para obtener información más precisa acerca de la sustentabilidad de la extracción continua en el acuífero, se requerirían estudios específicos que incluyan observaciones de campo y el uso de modelos computacionales (véase AIC-ANIAC, 1995, para detalles adicionales sobre el balance del agua, la hidrogeología y la explotación del acuífero).