Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos

 

Transcripción de la Presentación

1. ¿Por qué 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.

2. 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.

3. ¿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.

4. 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.
  • 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.

  • Infiltración: movimiento del agua de la superficie hacia el subsuelo. Puede percolarse gravitacionalmente o ser absorvida por las raíces.
  • 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

5. 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.

6. Direcciones Preferenciales: ¿porosidad secundaria? Roca sedimentaria Amazonas.

7. 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.

8. 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 temporal.

¿Basado en eventos de precipitación, estacionalmente o anualmente, o histórica?

14. • 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.

15. Zona no saturada Tipos deTensiómetros para la Medición de Humedad del Suelo. Curvas de “Frente Húmedo” con MODFLOW UFZ.

16. 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.

17. Métodos de balance hídrico

18. 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.

19. Precipitación • Descarga localizada de agua subterránea y almacenamiento en depresiones • Transpiración • Evaporación • Infiltración • Escorrentía superficial • Interflujo • Flujo de agua subterránea.

20. Distribución del Flujo. • Distribución del Flujo en un Río en Escorrentía Superficial, Interflujo y Flujo Base.

21. 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

22. Ecuación del Balance de Aguapara Cuencas

23. Qon = Qswon + QgwonET = ETsw + ETgw + ETuzDS = DSsw + DSsnow + DSuz + DSgwQoff = Qswoff + Qgwoff = RO + Qbf + Qgwoff Subcomponentes a considerar Donde: sw = agua superficial gw = agua subterránea uz = zona no saturada snow = nieveRO = escorrentía directa Qbf = caudal base

24. La ecuación de balance hídrico en una cuencapuede ser expresada como:P + Qswon + Qgwon= ETsw + ETgw + ETuz +DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw + Qgwoff + RO+ Qbf … (1)La ecuación de balance hídrico de un acuífero seexpresa en la ecuación:R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgwoff - Qgwon} ..(2)Ecuaciones de Recarga

25. Combinando las ecuaciones (1) y (2):P + Qswon = R + ETsw + ETuz + DSsw +DSsnow + DSuz + ROEcuaciones de Recarga

26. Determinación de los componentesdel 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

27. Estación de Ratio de Balance de Energía de Bowen

28. Sensores deCorrelación de EDDYHigrómetro deKrypton (densidad devapor)Anemómetro sónico(vector viento,temperatura)

29. Determinación de los componentes delBalance hídrico – ET• Mediciones ET Actual (real) - exactos,pero caros• Las estimaciones de ET - sacrifica algo deprecisión, pero ahorran tiempo y dineromediante el uso de los datos existentes ysoftware (Ref-ET)

30. Avances recientes en laestimación de la ET• GIS: facilita la aplicación de métodos deestimación en muchos sentidos.• Herramientas de monitoreo remoto: No dan lamedición directa de la ET, sin embrago lasaplicaciones indirectas son muy útiles.•– Aumentan el número de redes de medición dela ET (MOD16).

31. Ejemplo: Estudio del Balance hídrico en el noroestede Illinois para estimar la recarga difusa.

32. Ventajas de los métodos debalance hídrico• El balance hídrico es universal – puede seraplicado en cualquier lugar y escala temporal• Flexible / Adaptable• No requiere de supuestos inherentes delmecanismo del movimento del agua• Abundancia de datos disponibles• El balance hídrico provee las bases para evaluarotros métodos de evaluación de recarga.

33. Limitaciones de los métodos debalance hídrico• Por su enfoque residual, la precisión de laestimación de la recarga depende de la precisiónen la determinación de los otros componentes.• Se puede necesitar medir o estimar gran númerode parámetros.

34. Métodos demodelamiento numérico

35. 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

36. Modelos de balance hídrico enzona de sueloEcuación del Balance:D = P - ETuz - DSuz - ROdonde D es el drenajeEl tiempo de viaje de D al nivel freático:– No depende del tiempo– Sigue la ecuación de Richards– Utiliza función de transferencia desde el fin dela zona radicular a la napa freática

37. Un método de simulacióntransiente de la recarga deagua subterránea en el nivelfreático profundo (Floridacentral)

38. Modelos numéricos de flujo deagua subterránea• Muy a menudo las estimaciones de recarga sonsolicitadas para mejorar la calibración de losmodelos de flujo de agua subterránea.• Los modelos numéricos realizan balances de aguade acuíferos.• Los modelos son calibrados en sus parámetros(incluyendo recarga) para minimizar diferenciasentre mediciones y simulaciones: MODFLOW.UCODE, PEST

39. MODFLOW 2005 con Flujo enZona no Saturada (UFZ)• MODFLOW es el código para el modelamiento deaguas subterráneas en 3D basado en diferenciasfinitas desarrollado por el Servicio Geológico deEstados Unidos (USGS).• MODFLOW simula en flujo estático y transitorioen un sistema acuífero irregular que puede serconfinado, no confinado, o mixto. El bombeo depozos, recarga, evapotranspiración, drenes,lechos de rio también pueden ser simulados porMODFLOW.

40. MODFLOW 2005 con Flujo enZona no Saturada (UFZ)• El nuevo paquete de MODFLOW-2005 llamadoPaquete de Flujo en la Zona No Saturada (UFZ1)fue desarrollado para simular el flujo yalmacenamiento en la zona no saturada y lapartición de la infiltración en evapotranspiración yrecarga.• El paquete también calcula la escorrentíasuperficial a los ríos y lagos.

41. MODFLOW 2005 con Flujo enZona no Saturada (UFZ)Curvas de “FrenteHumedo”Flujo en la zona no saturadaacoplada con un modelo deaguas subterráneas

42. Modelos hidrológicos de cuencas• Modelos hidrológicos de balance hídrico encuencas hidrográficas.• Originalmente diseñados para simular losprocesos de lluvia - escorrentía. Usos actualesincluyen simulaciones de la calidad de agua, y losimpactos en el ecosistema (SWAT y Aquatox).• Los modelos se enfocan en los cursos de agua odescargas. También brindan información de laevapotranspiración, almacenamiento de humedaddel suelo, y el almacenamiento y recarga delacuífero.• GSFLOW - combina el modelo de cuenca PRMScon MODFLOW.

43. Diagramaesquemático deUSGS PRMS

44. Modelos empíricosModelos empíricos basados en la extrapolación devalores de recarga conocidos son muy prácticos.• R = Constante x Precipitación• Método de Maxey-Eakin:R = f(Precipitación y Elevación)• Ecuaciones de regresión relacionadas a lascaracterísticas del agua y la cuenca.Fáciles de usar – pueden ser aplicados en grandesáreas con herramientas de GIS.

45. Método RRR y comparación conrecarga de modelos de flujo deaguas subterráneas

46. Métodos de Modelamiento para laEvaluación de la Recarga• Modelos basados en procesos físicos puedenproporcionar información sobre los mecanismosde recarga.• Los modelos tienen capacidad predictiva. Puedenevaluar el impacto de los cambios del clima o eluso del suelo en las tasas de recarga.• Se puede simular la recarga enfocada o difusa.• El análisis puede ser puntual o integrada en eltiempo.

47. Métodos de trazadores

48. Métodos de trazadores• Químicos, isótopos y calor se transportan con elmovimiento del agua subterránea.• Las mediciones espaciales / temporales puedenutilizarse para inferir información sobre tazas ypatrones de flujo del movimiento del aguasubterránea.• Los trazadores pueden ser rastreados en la zonano saturada, agua subterránea y agua superficial(UZ, GW, SW ).

49. Trazadores ideales• Conservativos• Tasa de entrada conocida• Puede ser medido con precisión y a bajocosto

50. 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

51. Trazadores de agua Subterránea• Balance de masa del cloruro en la partenorte de Southern High Plains (Woodand Sanford, 1995)yrmmLmgLmgyrmmCCPRgwClPCl/11/2.25/58.0/485?????

53. Métodos de trazadores• Pueden proveer información cuantitativa ycualitativa de la recarga tanto para recarga difusacomo recarga enfocada.• La estimaciones de las recargas son integradasdurante cierto período de tiempo.• Los análisis pueden ser caros.

54. Métodos físicos de lazona no saturada

55. Zona no saturada – Métodos físicos• Método plano de flujo cero.• Método de Darcy.• Lisimetría.Generalmente proporcionan estimacionespuntuales en el espacio y el tiempo

56. Métodos físicos de lazona saturada

57. • Método de fluctuación del nivel freático.• Método de Darcy/Hantush.• Flujos netos.• Análisis de serie de tiempo.Zona saturada – Métodos físicos

58. Método de fluctuación delnivel freático.R = Sy Dh/DtDondeSy = rendimiento específicoDh/Dt = cambio en la altura de la napa freáticarespecto del tiempoDerivado de la ecuación del balance hídrico:R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgwoff - Qgwon}

59. Consideraciones de su aplicación• Determinar si el nivel freático es debido a larecarga.• Estimar Sy – que en realidad varía con laprofundidad del nivel freático y el tiempo dedrenaje.• Estimar la curva de recesión

60. La línea punteada es la curva de recesión

61. Método de fluctuaciones delnivel freático• Fácil de aplicar.• Abundancia de datos del nivel del aguasubterránea.• Todas las fluctuaciones no son debido a larecarga.• Es dificil de determinar un rendimiento específico.• No prevé la recarga constante.• Estimación puntual en espacio y tiempo

62. Métodos basados ??endatos de agua superficial

63. Métodos basados en datos deagua superficial• Balance en los cursos de agua - “flujo defiltraciones“.• Medición directa del cambio de flujo de agua /agua subterránea.• Análisis de hidrogramas.• Curvas de duración de caudal.

64. Balance de corrientes de agua - “flujos de filtración” – centrada enla recargaPuntos de medición del aguasuperficial.Mediciones de caudal instantáneoQr= SQout - SQinMétodos basados en datos de aguasuperficial

65. Medidor Electromagnéticode filtraciónRosenberry and Morin [2004]

66. Métodos de análisis de hidrogramas• La idea es cuantificar la parte del caudal querepresenta el flujo base.– Separación manual• Métodos computarizados– Método de desplazamiento de la Curva derecesión - RORA [Rutledge, 1993, 1998, 2000,2002, 2004]– Método de ajuste de Curva - HYSEP [Slotto yCrouse, 1996]

67. Análisis de Hidrográmas• Recarga difusa / areal• Flujo Base = recarga?R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgwoff - Qgwon}• No hay contribuciones del almacenamientosuperficial• Los registros diarios de caudal son por un largoperíodo• Regulación mínima o de las desviaciones• Límites del acuífero = cuenca?

68. Hidrograma de caudal diario separado con RORA, (Rutledge, AT,1998, WRIR98-4148 fig. 13)

69. Distribución del FlujoDistribución del Flujo enun Río en EscorrentíaSuperficial, Interflujo yFlujo Base

70. Estimación de la recarga usando lascurvas de duración de caudalesImportancia de lapendiente:PendienteEmpinada : no sealmacenan en lacuencaPendiente Suave :almacenamientode aguasubterránea

71. Métodos de datos de aguasuperficial• Las estimaciones de la recarga enfocada puedenser estimaciones puntuales en el tiempo y en elespacio• Las estimaciones de la recarga difusa se puedenintegrar en escalas largas de tiempo y espacio

72. Métodos de datos de aguasuperficial• Escasez de datos disponibles.• Herramientas (programas computacionales) estándisponibles.• Muchas de los supuestos necesitan seranalizados.

73. Selección de Método

74. 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, programascomputacionales.

75. Selección del método• Aplicar tantos métodos como sea razonable.• Estos métodos pueden ser aplicados usando dataexistente:– Métodos de balance hídrico– Método de fluctuaciones del nivel freático.– Análisis de histogramas de flujos.– Análisis de la curva de duración de caudales.

76. Avances recientes en laestimación de la recarga• Métodos no necesariamente nuevos.• Mejora de los instrumentos y técnicas demedición– Métodos de análisis de laboratorio– Gases disueltos– Los sensores que se pueden implementar en elcampo– Nivel del agua– Temperatura - STD– Sondas específicas para conductancia

77. Avances recientes en laestimación de la recarga• Mejora de los instrumentos y técnicas (cont.)– Técnicas geofísicas: Gravedad, EM, radar depenetración en el suelo– Teledetección: Método de Balance hídrico• Mejora de la accesibilidad de los datos a travésde Internet - GW, SW, clima, suelos

78. Avances recientes en laestimación de la recarga• Mejora de las herramientas de análisis de datos:Modelos• Modelos numéricos• Modelos de flujo combinado agua superficial/ subterráneaGISProgramas computacionales• Datos de Aguas Subterráneas• Datos de Agua superficial

79. Tendencias recientes en lacuantificación de las tasasde recarga de acuíferosPor:Saul Montoya M.Sc.Ene 2013

 

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Posted on September 30, 2013 and filed under Hidrogeología.