Cálculo de Recarga por Eventos Diarios de Precipitación con MODFLOW UZF y Python

Los procesos del ciclo hidrológico superficial y subterráneo están relacionados a la precipitación (forma e intensidad) y la dinámica de la humedad en la zona de suelo. Esta dinámica de humedad de suelo está determinada por el tipo de suelo y la zona radicular en una escala temporal diaria o incluso hasta horaria. Estos fenómenos no han sido considerados o estudiados en los libros de texto de la hidrogeología convencional quizá por uso intensivo de herramientas de modelamiento y complejas conceptualizaciones y validaciones. 

El estudio de las aguas subterráneas es el estudio de la incertidumbre, es el dilema de no ver lo que está estudiando y de comprender un todo solo por observaciones particulares en piezómetros o flujos base. Hasta el tiempo en que se desarrollen herramientas que permitan ver el agua subterránea dentro del medio poroso de la manera que vemos una resonancia magnética, tendremos que hacer grandes esfuerzos analíticos para comprender el recurso hídrico subterráneo.

 

El tiempo es diario

De conversaciones con otros hidrólogos, hidrogeólogos e incluso biólogos vemos que la compresión del ciclo hídrico es parcial en base de lo que uno ha aprendido académicamente o en la práctica. Entonces existen ciertas tendencias de:

  • Modelamiento hidrológico que no considera flujo base
  • Modelamiento hidrogeológico con recarga constante
  • Estimación de humedales / bofedales que no consideran aguas subterráneas
  • Modelamiento hidrológico en escala mensual

Como verán, los ejemplos mostrados son parte de nuestra práctica profesional pero no es reflejo de una compresión de las dinámicas de la naturaleza, en lo que podemos comprender por lo que medidos o por las herramientas que disponemos.

Comprender el fenómeno de recarga implica el estudio de la cobertura, de la zona radicular en una discretización espacial y temporal limitado por aspectos computacionales y de software pero lo suficientemente fino para representar los flujos en las distintas partes de la interacción superficie-suelo-acuífero.

Para comprender los procesos de recarga hay que emplear una discretización temporal muy fina, donde incluso podríamos pensar en una escala horaria o en su defecto una escala diaria en simulaciones largas como es el caso de este tutorial.

 

El frente húmedo

La evapotranspiración es el principal consumidor del agua de precipitación pudiendo llegar a ser el 65% del agua de precipitación en cuencas andinas con precipitaciones de 1100 mm/año. Este consumo se realiza en la zona de suelo donde el agua de precipitacion efectiva se percola en la zona de raices donde estas raices pueden absorvela para consumo de la planta. Si el agua de precipitación es mayor a lo que el suelo puede absorver, entonces se generará la escorrentía; cuando las raíces no puedan absorver el agua que se infiltra, el excedente se percolará hasta la napa freática produciendo recarga al acuífero.

Perfiles de humedad de suelo para un modelo regional de aguas subterránenas. Fuente: Documentación de MODFLOW UZF (https://pubs.usgs.gov/tm/2006/tm6a19/pdf/tm6a19.pdf)

Perfiles de humedad de suelo para un modelo regional de aguas subterránenas. Fuente: Documentación de MODFLOW UZF (https://pubs.usgs.gov/tm/2006/tm6a19/pdf/tm6a19.pdf)

En el ejemplo de este tutorial también hemos calculado los perfiles de humedad en escala diaria, en la animación se puede ver los procesos de saturación del suelo y el frente húmedo, en la mitad de la simulación se disminuye la precipitación y por tanto la saturación del suelo, por último en la época seca se ve la pérdida de humedad del suelo y el efecto en la curva de saturación.

Perfil de humedad de suelo para el estudio realizado. Modelo hecho con MODFLOW UZF

Perfil de humedad de suelo para el estudio realizado. Modelo hecho con MODFLOW UZF

 

Caso de Aplicación

Para poder explicar los conceptos expuestos de una manera clara hemos hecho un caso de aplicación en MODFLOW usando el paquete de Zona No Saturada (UZF). La herramienta de procesamiento utilizada es Model Muse desarrollada al igual que MODFLOW por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS). Para visualizar los perfiles de saturación hemos realizado un script en Python utilizando la aplicación Jupyter. Todos los softwares utilizados en este tutorial son de libre acceso. 

El modelo en MODFLOW tiene 2 capas con un total de 18 celdas. El ancho de cada celda es de 10m y han sido modeladas por el lapso de 1 año con escala diaria.

A continuación mostramos el video del tutorial:

 

Datos de modelamiento

Descargue los datos de este tutorial en este enlace.

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Posted on June 23, 2017 and filed under Tutorial, Hidrogeología, TutorialModflow.