Conceptos Clave para Modelar Flujo Subterráneo Dominado por Energía Geotermal

Crédito: Deborah Bergfeld, USGS. Dominio público.

Crédito: Deborah Bergfeld, USGS. Dominio público.

Para la mayoría de hidrogeólogos, el modelamiento númérico de aguas subterráneas es aún nuevo y tiene varios desafíos al lidiar con data de ingreso, construcción del modelo y simulación. La mayoría de nuestros modelamientos se realizan para flujos subterráneos dominados por gravedad en acuíferos superficiales que se pueden resolver con la ecuación de Darcy. A veces enfocamos en conceptualizar tópicos "avanzados" como flujo no saturado, transporte de contaminantes, densidad variable o calibración de flujo base. ¿Qué pasaría si se considerara otra fuerza aparte de la gravedad? ¿Serán nuestras vidas más felices/miserables? ¿Podremos lidiar con la cantidad de información requerida?

 

¿Por qué modelamos circulación geotermal?

La energía geotermal puede cambiar los patrones y magnitud del flujo subterráneo y tiene que ser considerada en casos donde la circulación geotermal es significante a una escala determinada.

Basándose en experiencia profesional del autor, el agua subterránea dominada/influenciada por condiciones geotérmicas es rara vez modelada como un proceso físico. Esto se debe al alto nivel de complejidad de los modelos y la poca experiencia de los modeladores.

 

¿En qué se diferencia el flujo gravitacional del flujo geotermal?

El flujo subterráneo dominado por gravedad y de densidad constante a través de un medio poroso puede ser descrito mediante la ecuación [2]:

Donde:

  • Ki es la conductividad hidráulica en el eje i
  • h es la carga hidráulica
  • W representa las fuentes y/o sumideros
  • Ss es el almacenamiento especifico; y
  • t es el tiempo (T)

W es un flujo volumétrico por unidad de volumen con unidades 1/s. W viene de Q (flujo que entra o sale del modelo) en m3/s. dividido por la densidad en m3, como indica la fórmula:

En acuíferos afectados por energía geotermal, ni la temperatura de distribución o la densidad es constante. Una expresión de densidad relacionada a la temperatura se muestra en la siguiente fórmula [1]:

La diferencia de densidad por cada grado de temperatura es -0.375 kg/m3/°C. El agua en temperaturas frías tiene una mayor densidad (más pesada) mientras que el agua en temperaturas cálidad tiene una menor densidad (más ligera). Por ende, la energía geotermal se conceptualiza como densidad variable en el flujo subterráneo.

 

Conceptualización del impacto de la distribución de temperatura en el flujo subterráneo

Expliquemos el flujo geotermal con un simple ejemplo de los conceptos dados en la parte anterior. Para el ejemplo, hay una roca carbonatada sobre un basalto con actividad geotermal.

La primera figura muestra las unidades hidrogeológicas y la dirección de la circulación geotermal.

Altas temperaturas disminuyen la densidad del agua, bajas temperaturas aumentan la densidad del agua.

Agua de baja densidad tenderá a subir, mientras que el agua de alta densidad bajará, con lo que se creará una circulación del agua en el acuífero.

Geothermal3.png

 

Softwares para modelamiento geotérmico

MODFLOW [2] no tiene la capacidad de modelar flujo geotérmico ya que sólo trabaja con flujo gravitacional. En este caso sugerimos utilizar SUTRA [1], un modelo para flujo subterráneo saturado/no saturado, de densidad variable con transporte de solutos o energía. Más información de SUTRA en el siguiente link:

https://water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/sutra/sutra.html

Una buena noticia es que no se tiene que lidiar con la creación de archivos de entrada ni correr SUTRA desde el DOS porque Model Muse puede hacer el preprocesamiento del modelo, correr y visualizar los resultados de los modelos de SUTRA. Más información de Model Muse aquí:

https://water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/ModelMuse/ModelMuse.html 

 

Referencias

1. SUTRA A Model for Saturated-Unsaturated, Variable-Density Ground-Water Flow with Solute or Energy Transport by Clifford I. Voss and Alden M. Provost. Water-Resources Investigations Report 02-4231. Link: https://water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/sutra/SUTRA_2_2-documentation.pdf

2. MODFLOW-2005, The U.S. Geological Survey Modular Ground-Water Model—the Ground-Water Flow Process. By Arlen W. Harbaugh Chapter 16 of Book 6. Modeling techniques, Section A. Ground Water. Link: https://water.usgs.gov/ogw/modflow/MODFLOW.html

3. Numerical modelling of geothermal and reflux circulation in Enewetak Atoll: implications for dolomitization. G. Jones et al. Journal of Geochemical Exploration 69–70 (2000) 71–75. Link: http://sci-hub.io/10.1016/s0375-6742(00)00010-8

4. Using Hydrogeologic Data to Evaluate Geothermal Potential in the Eastern Great Basin Melissa D. Masbruch, Victor M. Heilweil, and Lynette E. Brooks U. S. Geological Survey, Utah Water Science Center, Salt Lake City, Utah. Link: http://pubs.geothermal-library.org/lib/grc/1030209.pdf

 

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Posted on April 24, 2017 .