Groundwater-flow modeling in the Yucatan karstic aquifer, Mexico

Abstract.

The current conceptual model of the unconfined karstic aquifer in the Yucatan Peninsula, Mexico, is that a fresh-water lens floats above denser saline water that penetrates more than 40 km inland. The transmissivity of the aquifer is very high so the hydraulic gradient is very low, ranging from 7–10 mm/km through most of the northern part of the peninsula. The computer modeling program AQUIFER was used to investigate the regional groundwater flow in the aquifer. The karstified zone was modeled using the assumption that it acts hydraulically similar to a granular, porous medium. As part of the calibration, the following hypotheses were tested: (1) karstic features play an important role in the groundwater-flow system; (2) a ring or belt of sinkholes in the area is a manifestation of a zone of high transmissivity that facilitates the channeling of groundwater toward the Gulf of Mexico; and (3) the geologic features in the southern part of Yucatan influence the groundwater-flow system. The model shows that the Sierrita de Ticul fault, in the southwestern part of the study area, acts as a flow barrier and head values decline toward the northeast. The modeling also shows that the regional flow-system dynamics have not been altered despite the large number of pumping wells because the volume of water pumped is small compared with the volume of recharge, and the well-developed karst system of the region has a very high hydraulic conductivity.

Résumé.

Le modèle conceptuel classique de l'aquifère karstique libre de la péninsule du Yucatan (Mexique) consiste en une lentille d'eau douce flottant sur une eau salée plus dense qui pénètre à plus de 40 km à l'intérieur des terres. La transmissivité de l'aquifère est très élevée, en sorte que le gradient hydraulique est très faible, compris entre 7 et 10 mm/km dans la plus grande partie du nord de la péninsule. Le modèle AQUIFER a été utilisé pour explorer les écoulements souterrains régionaux dans cet aquifère. La zone karstifiée a été modélisée en posant l'hypothèse qu'il fonctionne hydrauliquement comme un milieu poreux granulaire. Au cours de la calibration, les hypothèses suivantes ont été testées: (1) les phénomènes karstiques jouent un rôle important dans le système aquifère, (2) un anneau ou une ceinture de dépressions dans la région est la manifestation d'une zone à forte transmissivité qui permet l'écoulement en conduits de l'eau souterraine en direction du Golfe du Mexique, et (3) la situation géologique dans la partie sud du Yucatan détermine les écoulements souterrains. Le modèle montre que la faille de la Sierrita de Ticul, dans la partie sud-ouest de la région étudiée, joue le rôle de barrière et que les valeurs de la piézométrie décroissent en direction du nord-est. La modélisation montre également que la dynamique du système aquifère à l'échelle régionale n'a pas été modifiée malgré le grand nombre de puits de pompage, parce que le volume pompé est faible en comparaison du volume de recharge; en outre, le réseau karstique très bien développé dans cette région possède une très forte conductivité hydraulique.

Resumen.

El modelo conceptual actual del acuífero cárstico no confinado de la Península de Yucatán (México) es el de un lentejón de agua dulce flotando sobre agua salada, más densa, la cual penetra más de 40 kilómetros tierra adentro. Debido a la alta conductividad hidráulica del acuífero, existe un gradiente hidráulico muy bajo cuyo rango está entre 7 y 10 milímetros por kilómetro en la porción norte de la península. Se utilizó el código AQUIFER para investigar el sistema de flujo de las aguas subterráneas a escala regional en el acuífero. La zona carstificada se modeló suponiendo que actúa hidráulicamente como un medio poroso granular. Como parte de la calibración, se probaron las siguientes hipótesis: (1) las características cársticas desempeñan un papel importante en el sistema de flujo de agua subterránea; (2) un anillo o cinturón de sumideros en el área es una manifestación de una zona de alta transmisividad que conduce las aguas subterráneas hacia el Golfo de México; y (3) las propiedades geológicas de la porción sur de Yucatán influyen en el sistema de flujo de agua subterránea. El modelo demostró que la falla de la Sierrita de Ticul, situada en el sudoeste de la zona de estudio, actúa como una barrera al flujo, y que los niveles piezométricos disminuyen hacia el nordeste. La modelación también mostró que la dinámica del sistema de flujo regional no ha sido alterada a pesar de la gran cantidad de captaciones, ya que el volumen extraído es pequeño en comparación con la recarga al acuífero; además, el sistema cárstico de la región, bien desarrollado, posee una conductividad hidráulica muy elevada.