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Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos Por: Saul Montoya M.Sc. Ene 2013
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Tendencias recientes en la
cuantificación de las tasas
de recarga de acuíferos
Por: Saul Montoya M.Sc.
Ene 2013
www.gidahatari.com
Presentación hecha sobre las base de la publicación y apuntes de: Estimating Groundwater Recharge Rick Healy U.S. Geological Survey Denver, CO
¿Porqué es importante la recarga subterránea?
• La tasa, distribución y localización de la recarga son importantes para una gestión eficiente de los recursos de agua subterránea, tanto en términos de abastecimiento de agua como de contaminación.
• Los modelos de flujo subterráneo requieren estimaciones de la recarga.
• Áreas de gran recarga son más susceptibles a la contaminación.
Objetivos de la presentación
• Proveer el contexto teórico, los supuestos y los requerimientos lógicos de varios métodos para la estimación de la recarga.
• Discutir distintos casos de aplicación de diferentes métodos.
¿Qué incluye la presentación?
• Revisión de los procesos de recarga de agua subterránea.
• Revisión de diferentes enfoques que están siendo usados para estimar la recarga.
• Resaltar algunos métodos con ejemplos.
• Conclusiones
Terminología
• Recarga : movimiento del agua superficial al nivel freático
• Tasa de recarga: Flujo de agua de infiltración [L3/T] que llega al cuerpo de agua subterránea.
Terminología
• Recarga Difusa: agua de precipitación infiltrada y
percolada hacia la zona no saturada, se produce relativamente uniforme en grandes áreas.
• Recarga Enfocada: se produce a partir de la infiltración de los cuerpos de agua superficiales, como ríos, lagos y embalses.
Nota: La actividad agrícola también produce recarga difusa o enfocada
Terminología
• Infiltración: movimiento del agua de la superficie hacia el subsuelo. Puede percolarse gravitacionalmente o ser absorvida por las raices.
• Infiltración neta: Movimiento gravitacionalmente profundo del agua por debajo de la zona radicular. También referido como drenaje, percolación y recarga potencial.
• Flujo pistón: flujo uniforme, únicamente advectivo, sin dispersión o mezcla. El avance del agua desplaza más agua.
• Flujo matriz – flujo teórico advectivo / dispersivo descrito por la ecuación de Richards y la ecuación de advección / dispersión.
• Flujo preferencial - flujo rápido, no uniforme, a través de vías preferenciales, evita la mayor parte de la matriz del suelo. Puede darse en discontinuidades o en cavidades de raíces.
Terminología
Zona de Suelo
La zona de suelo se extiende desde la superficie hasta un máximo de un metro y esta relacionada con la profundidad de raíces.
20cm
Porosidad Secundaria?
Roca sedimentaria
Amazonas
Direcciones Preferenciales
Dificultades en la Estimación de la Recarga
• Las tasas pueden ser altamente variables espacialmente y temporalmente.
• Existe una incertidumbre inherente en todos los métodos de evaluación. Es difícil evaluar la exactitud de cualquier método.
• Los métodos pueden ser costosos y prolongados.
Consideraciones en la selección del método
• Definir el modelo conceptual de Cómo, Cuándo y Dónde ocurre la recarga.
– Ocurre recarga difusa o enfocada?
• Establecer la escala espacial de estudio.
– Sitio de interés de un proyecto, cuenca, o región?
• Definir la escala escala temporal.
– Basado en eventos de precipitación, estacionalmente o anualmente, o histórica?
• Presupuesto y período de estudio – Muy importante en la gestión de la evaluación.
• Consideraciones sobre los datos:
– Datos disponibles existentes?
– Tipos de datos a recopilar
• Climatológicos, flujos de agua superficial, mediciones en la zona no saturada, niveles de agua subterránea.
• Evaluar los supuestos para cada método
Consideraciones en la selección del método
Zona no saturada
Tipos de Tensiómetros para la Medición de Humedad del Suelo
Curvas de “Frente Humedo” con
MODFLOW UFZ
Métodos para la estimación de la recarga
• Métodos de balance hídrico.
• Métodos de modelamiento numérico.
• Métodos de trazadores.
• Métodos físicos de la zona no saturada.
• Métodos físicos de la zona saturada.
• Métodos basados en datos de agua superficial.
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Métodos de balance hídrico
Balance Hídrico
• El balance hídrico ayuda a construir el modelo conceptual del proceso de recarga.
• Existen una diversidad de métodos.
• La mayoría de los modelos numéricos se basan en una ecuación del balance hídrico.
• El volumen de control del balance pueden ser acuíferos, cuencas, arroyos, zona de suelo, etc.
Precipitación
Descarga localizada de agua
subterránea y almacenamiento
en depresiones
Transpiracion
Evaporacion
Infiltración
Escorrentía superficial
Interflujo Flujo de
agua
subterránea
Distribución del Flujo
Distribución del Flujo en un Río en Escorrentía Superficial, Interflujo y Flujo Base
P + Qon = ET + DS + Qoff
Ecuación del Balance de Agua para Cuencas
Las unidades son: • volumen por unidad de tiempo (L3 / T) - m3/año, Lt / día, o • volumen por unidad de área superficial por unidad de tiempo
(L / T) - m / día, mm / año.
P = precipitación + irrigación
Qon = flujo de entrada de agua
ET = suma de evaporación en el suelo desnudo, cuerpos de agua y la transpiración
DS = cambio en el almacenamiento de agua
Qoff = flujo de salida de agua
Ecuación del Balance de Agua para Cuencas
Qon = Qswon + Qgw
on ET = ETsw + ETgw + ETuz DS = DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw Qoff = Qsw
off + Qgwoff = RO + Qbf + Qgw
off
Subcomponentes a considerar
Donde: sw = aguas superficiales
gw = aguas subterráneas
uz = zona no saturada
snow = nieve
RO = escorrentía directa
Qbf = caudal base
La ecuación de balance hídrico en una cuenca puede ser expresada como:
P + Qsw
on + Qgwon= ETsw + ETgw + ETuz +
DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw + Qgwoff + RO
+ Qbf … (1)
La ecuación de balance hídrico de un acuífero se expresa en la ecuación:
R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgw
off - Qgw
on} ..(2)
Ecuaciones de Recarga
Combinando las ecuaciones (1) y (2):
P + Qswon = R + ETsw + ETuz + DSsw +
DSsnow + DSuz + RO
Ecuaciones de Recarga
Determinación de los componentes del balance hídrico – ET
• Medición mediante Métodos Micrométricos
– ET Actual
– Ratio de Balance de Energía de Bowen
– Correlación de Eddy
• Estimación mediante Métodos Climatológicos
– Evapotranspiracion Potencial (FAO Penman -Monteith
Estación de Ratio de Balance de Energía de Bowen
Sensores de Correlación de EDDY
Higrómetro de
Krypton (densidad de
vapor)
Anemómetro sónico
(vector viento,
temperatura)
Determinación de los componentes del Balance hídrico – ET
• Mediciones ET Actual (real) - exactos, pero caros
• Las estimaciones de ET - sacrifica algo de precisión, pero ahorran tiempo y dinero mediante el uso de los datos existentes y software (Ref-ET)
Avances recientes en la estimación de la ET
• GIS: facilita la aplicación de métodos de estimación en muchos sentidos.
• Herramientas de monitoreo remoto: No dan la medición directa de la ET, sin embrago las aplicaciones indirectas son muy útiles.
•
– Aumentan el número de redes de medición de la ET (MOD16).
Ejemplo: Estudio del Balance hídrico en el noroeste de Illinois para estimar la recarga difusa.
Ventajas de los métodos de balance hídrico
• El balance hídrico es universal – puede ser aplicado en cualquier lugar y escala temporal
• Flexible / Adaptable
• No requiere de supuestos inherentes del mecanismo del movimento del agua
• Abundancia de datos disponibles
• El balance hídrico provee las bases para evaluar otros métodos de evaluación de recarga.
Limitaciones de los métodos de balance hídrico
• Por su enfoque residual, la precisión de la estimación de la recarga depende de la precisión en la determinación de los otros componentes.
• Se puede necesitar medir o estimar gran número de parámetros.
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Métodos de modelamiento numérico
Métodos de Modelamiento
• Modelos de balance hídrico en la zona de suelo
• Modelos de flujo de agua subterránea – modelamiento inverso.
• Modelos de cuencas hidrográficas
• Modelos empíricos
• Técnicas de evaluación de gran escala
Modelos de balance hídrico en zona de suelo
Ecuación del Balance:
D = P - ETuz - DSuz - RO
donde D es el drenaje
El tiempo de viaje de D al nivel freático:
– No depende del tiempo
– Sigue la ecuación de Richards
– Utiliza función de transferencia desde el fin de la zona radicular a la napa freática
Un método de simulación transiente de la recarga de agua subterránea en el nivel freático profundo (Florida central)
Modelos numéricos de flujo de agua subterránea
• Muy a menudo las estimaciones de recarga son solicitadas para mejorar la calibración de los modelos de flujo de agua subterránea.
• Los modelos numéricos realizan balances de agua de acuíferos.
• Los modelos son calibrados en sus parámetros (incluyendo recarga) para minimizar diferencias entre mediciones y simulaciones: MODFLOW. UCODE, PEST
MODFLOW 2005 con Flujo en Zona no Saturada (UFZ)
• MODFLOW es el código para el modelamiento de aguas subterráneas en 3D basado en diferencias finitas desarrollado por el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS).
• MODFLOW simula en flujo estático y transitorio en un sistema acuífero irregular que puede ser confinado, no confinado, o mixto. El bombeo de pozos, recarga, evapotranspiración, drenes, lechos de rio también pueden ser simulados por MODFLOW.
MODFLOW 2005 con Flujo en Zona no Saturada (UFZ)
• El nuevo paquete de MODFLOW-2005 llamado Paquete de Flujo en la Zona No Saturada (UFZ1) fue desarrollado para simular el flujo y almacenamiento en la zona no saturada y la partición de la infiltración en evapotranspiración y recarga.
• El paquete también calcula la escorrentía superficial a los ríos y lagos.
MODFLOW 2005 con Flujo en Zona no Saturada (UFZ)
Curvas de “Frente Humedo”
Flujo en la zona no saturada acoplada con un modelo de aguas subterráneas
Modelos hidrológicos de cuencas
• Modelos hidrológicos de balance hídrico en cuencas hidrográficas.
• Originalmente diseñados para simular los procesos de lluvia - escorrentía. Usos actuales incluyen simulaciones de la calidad de agua, y los impactos en el ecosistema (SWAT y Aquatox).
• Los modelos se enfocan en los cursos de agua o descargas. También brindan información de la evapotranspiración, almacenamiento de humedad del suelo, y el almacenamiento y recarga del acuífero.
• GSFLOW - combina el modelo de cuenca PRMS con MODFLOW.
Diagrama esquemático de
USGS PRMS
Modelos empíricos
Modelos empíricos basados en la extrapolación de valores de recarga conocidos son muy prácticos. • R = Constante x Precipitación
• Método de Maxey-Eakin: R = f(Precipitación y Elevación) • Ecuaciones de regresión relacionadas a las
características del agua y la cuenca.
Fáciles de usar – pueden ser aplicados en grandes áreas con herramientas de GIS.
Método RRR y comparación con recarga de modelos de flujo de aguas subterráneas
Métodos de Modelamiento para la Evaluación de la Recarga
• Modelos basados en procesos físicos pueden proporcionar información sobre los mecanismos de recarga.
• Los modelos tienen capacidad predictiva. Pueden evaluar el impacto de los cambios del clima o el uso del suelo en las tasas de recarga.
• Se puede simular la recarga enfocada o difusa.
• El análisis puede ser puntual o integrada en el tiempo.
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Métodos de trazadores
Métodos de trazadores
• Químicos, isótopos y calor se transportan con el movimiento del agua subterránea.
• Las mediciones espaciales / temporales pueden utilizarse para inferir información sobre tazas y patrones de flujo del movimiento del agua subterránea.
• Los trazadores pueden ser rastreados en la zona no saturada, agua subterránea y agua superficial (UZ, GW, SW ).
Trazadores ideales
• Conservativos
• Tasa de entrada conocida
• Puede ser medido con precisión y a bajo costo
Tipos de trazadores
• Antropológicos:
– Br aplicado, Cl, colorantes, isótopos estables
– Eventos históricos - 3H, 36Cl, CFC, SF6
• De ocurrencia natural:
– Cl de precipitación
– Patrones de temperatura diarios / estacionales
Trazadores de agua Subterránea
• Balance de masa del cloruro en la parte norte de Southern High Plains (Wood and Sanford, 1995)
yrmm
Lmg
Lmgyrmm
C
CPR
gwCl
PCl
/11
/2.25
/58.0/485
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N
0 50 100
M iles
Chloride (m g/l)
# 1 - 20
# 20 - 50
# 50 - 250
# 250 - 1000
# 1000 - 50000
Cloruros del agua
subterránea, Southern High
Plains
Métodos de trazadores
• Pueden proveer información cuantitativa y cualitativa de la recarga tanto para recarga difusa como recarga enfocada.
• La estimaciones de las recargas son integradas durante cierto período de tiempo.
• Los análisis pueden ser caros.
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Métodos físicos de la zona no saturada
Zona no saturada – Métodos físicos
• Método plano de flujo cero.
• Método de Darcy.
• Lisimetría.
Generalmente proporcionan estimaciones puntuales en el espacio y el tiempo
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Métodos físicos de la zona saturada
• Método de fluctuación del nivel freático.
• Método de Darcy/Hantush.
• Flujos netos.
• Análisis de serie de tiempo.
Zona saturada – Métodos físicos
Método de fluctuación del nivel freático.
R = Sy Dh/Dt
Donde
Sy = rendimiento específico
Dh/Dt = cambio en la altura de la napa freática respecto del tiempo
Derivado de la ecuación del balance hídrico:
R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgwoff - Q
gwon}
Consideraciones de su aplicación
• Determinar si el nivel freático es debido a la recarga.
• Estimar Sy – que en realidad varía con la profundidad del nivel freático y el tiempo de drenaje.
• Estimar la curva de recesión
La línea punteada es la curva de recesión
Método de fluctuaciones del nivel freático
• Fácil de aplicar.
• Abundancia de datos del nivel del agua subterránea.
• Todas las fluctuaciones no son debido a la recarga.
• Es dificil de determinar un rendimiento específico.
• No prevé la recarga constante.
• Estimación puntual en espacio y tiempo
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Métodos basados en
datos de agua superficial
Métodos basados en datos de agua superficial
• Balance en los cursos de agua - “flujo de filtraciones“.
• Medición directa del cambio de flujo de agua / agua subterránea.
• Análisis de hidrogramas.
• Curvas de duración de caudal.
Balance de corrientes de agua - “flujos de filtración” – centrada en
la recarga
Puntos de medición del agua
superficial.
Mediciones de caudal instantáneo
Qr= SQout - SQin
Métodos basados en datos de agua superficial
Medidor Electromagnético de filtración
Rosenberry and Morin [2004]
Métodos de análisis de hidrogramas
• La idea es cuantificar la parte del caudal que representa el flujo base.
– Separación manual
• Métodos computarizados
– Método de desplazamiento de la Curva de recesión - RORA [Rutledge, 1993, 1998, 2000, 2002, 2004]
– Método de ajuste de Curva - HYSEP [Slotto y Crouse, 1996]
Análisis de Hidrográmas
• Recarga difusa / areal
• Flujo Base = recarga?
R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgwoff - Q
gwon}
• No hay contribuciones del almacenamiento superficial
• Los registros diarios de caudal son por un largo período
• Regulación mínima o de las desviaciones
• Límites del acuífero = cuenca?
Hidrograma de caudal diario separado con RORA, (Rutledge, AT,
1998, WRIR98-4148 fig. 13)
Distribución del Flujo
Distribución del Flujo en un Río en Escorrentía Superficial, Interflujo y Flujo Base
Estimación de la recarga usando las curvas de duración de caudales
Importancia de la
pendiente:
Pendiente
Empinada : no se
almacenan en la
cuenca
Pendiente Suave :
almacenamiento
de agua
subterránea
Métodos de datos de agua superficial
• Las estimaciones de la recarga enfocada pueden ser estimaciones puntuales en el tiempo y en el espacio
• Las estimaciones de la recarga difusa se pueden integrar en escalas largas de tiempo y espacio
Métodos de datos de agua superficial
• Escasez de datos disponibles.
• Herramientas (programas computacionales) están disponibles.
• Muchas de los supuestos necesitan ser analizados.
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Selección de Método
Selección del método
• Modelamiento conceptual del sistema hidrológico, incluyendo un balance hídrico preliminar.
• Evaluar los planteamientos de los métodos.
• Conocimiento de los datos existentes: clima, niveles de agua subterránea, descarga de flujo.
• Conocimiento de herramientas existentes – modelos, instrumentación, programas computacionales.
Selección del método
• Aplicar tantos métodos como sea razonable.
• Estos métodos pueden ser aplicados usando data existente:
– Métodos de balance hídrico
– Método de fluctuaciones del nivel freático.
– Análisis de histogramas de flujos.
– Análisis de la curva de duración de caudales.
Avances recientes en la estimación de la recarga
• Métodos no necesariamente nuevos.
• Mejora de los instrumentos y técnicas de medición
– Métodos de análisis de laboratorio
– Gases disueltos
– Los sensores que se pueden implementar en el campo
– Nivel del agua
– Temperatura - STD
– Sondas específicas para conductancia
Avances recientes en la estimación de la recarga
• Mejora de los instrumentos y técnicas (cont.)
– Técnicas geofísicas: Gravedad, EM, radar de penetración en el suelo
– Teledetección: Método de Balance hídrico
• Mejora de la accesibilidad de los datos a través de Internet - GW, SW, clima, suelos
Avances recientes en la estimación de la recarga
• Mejora de las herramientas de análisis de datos:
Modelos • Modelos numéricos • Modelos de flujo combinado agua superficial
/ subterránea
GIS Programas computacionales
• Datos de Aguas Subterráneas • Datos de Agua superficial
Tendencias recientes en la
cuantificación de las tasas
de recarga de acuíferos
Por: Saul Montoya M.Sc.
Ene 2013
