Study of geothermal water intrusion due to groundwater exploitation in the Puebla Valley aquifer system, Mexico

Abstract

Significant intrusion of geothermal water into fresh groundwater takes place in the Puebla Valley aquifer system, Mexico. The decline in the potentiometric surface due to the overexploitation of the groundwater induces this intrusion. This hydrological system comprises three aquifers located in Plio-Quaternary volcanic sediments and Mesozoic calcareous rocks. The hydraulic balance of the aquifer shows that the annual output exceeds the natural inputs by 12 million m³. Between 1973 and 2002, a drop in the potentiometric surface, with an 80 m cone of depression, was identified in a 5-km-wide area located southwest of the city of Puebla. Chemical analyses performed on water samples since 1990 have shown an increase in total dissolved solids (TDS) of more than 500 mg/L, coinciding with the region showing a cone of depression in the potentiometric surface. A three-dimensional flow and transport model, based on the hydrogeological and geophysical studies, was computed by using the MODFLOW and MT3D software. This model reproduces the evolution of the aquifer system during the last 30 years and predicts for 2010 an additional drawdown in the potentiometric surface of 15 m, and an increase in the geothermal water intrusion.

Résumé

Le système aquifère de la Vallée de Puebla, Mexique, montre une importante intrusion d’eau géothermique. Le rabattement du niveau piézométrique est du à la surexploitation de l’aquifère, produisant cette intrusion. Le système hydrologique est composé de trois aquifères localisés dans des sédiments volcaniques du Plio-Quaternaire et des roches calcaires du Mésozoïque. Le bilan hydrologique de l’aquifère montre que le pompage excède les infiltrations naturelles par 12 millions m³. Entre 1973 et 2002, il a été observé une chute du niveau piézométrique, avec la formation d’un cône de dépression de 80 m de profondeur et 5 km d’aire en surface, localisé au SW de la Ville de Puebla. Des analyses chimiques réalisées sur d’échantillons d’eaux, depuis 1990, ont présenté une augmentation des quantités de solides totaux dissous de plus de 500 mg/L, dans la région qui montre le cône de dépression piézométrique. Un modèle tridimensionnel de flux et transport, basé sur des études hydrogéologiques et géophysiques, a été réalisé en utilisant les logiciels MODFLOW et MT3D. Le modèle reproduit l’évolution du système aquifère pendant les derniers trente ans et propose, pour l’année 2010, une chute additionnelle du niveau piézométrique d’environ 15 m, en plus d’une augmentation de l’intrusion géothermique.

Resumen

El sistema acuífero del Valle de Puebla, México, presenta una importante intrusión de agua geotérmica. El abatimiento de la superficie potenciométrica debido a la sobreexplotación del acuífero produce dicha intrusión. El sistema hidrológico está compuesto por tres acuíferos contenidos en sedimentos volcánicos Plio-Cuaternarios y en rocas calcáreas del Mesozoico. El balance hidráulico del acuífero muestra que la extracción anual excede en 12 millones de m³ a las recargas. Entre los años 1973 y 2002 el nivel potenciométrico ha mostrado un importante cono de abatimiento de 80 m de profundidad y 5 km de área, al suroeste de la Ciudad de Puebla. Análisis químicos de muestras de agua, realizados desde 1990, han mostrado un incremento en las cantidades de sólidos totales disueltos (STD) de más de 500 mg/L, coincidiendo con la región que muestra el cono de abatimiento. Se realizó un modelo tridimensional de flujo y transporte, basado en estudios hidrológicos y geofísicos, utilizando los códigos computaciones MODFLOW y MT3D. Este modelo reproduce la evolución del sistema acuífero durante los últimos treinta años y predice para el año 2010 una disminución adicional del nivel potenciométrico de 15 m y un incremento de la intrusión de agua geotérmica.