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

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La tasa de recarga en acuíferos y su distribución es importante para una gestión eficiente de los recursos hídricos subterráneos, ya sea para el modelamiento del flujo subterráneo como para la ...

La tasa de recarga en acuíferos y su distribución es importante para una gestión eficiente de los recursos hídricos subterráneos, ya sea para el modelamiento del flujo subterráneo como para la observación y control de la contaminación de acuíferos, en especial en las zonas de gran recarga. No obstante a la importancia de este parámetro, su estimación ha sido históricamente dificultosa pues las tasas de recarga pueden ser altamente variables en espacio y tiempo; todos los métodos de evaluación generan incertidumbre que dificulta la evaluación de la exactitud de cualquier método; además, pueden ser costosos y prolongados.

Esta presentación muestra las principales técnicas para la estimación de la recarga en acuíferos los siguientes métodos: método de balance hídrico, método de modelamiento, método de trazadores, métodos físicos en la zona no saturada, métodos físicos de la zona saturada, métodos basados en datos de agua superficial. Hay que tener en cuenta que estos métodos no son nuevos, sin embargo los avances recientes en tecnologías de información geográfica y teledetección, junto a la mejora de los instrumentos de medición de parámetros y el uso de internet, permite que se realicen de forma sencilla y requiriendo menos tiempo y presupuesto.
Lea este articulo en nuestra web:
www.gidahatari.com/es/infohatari/tendencias-recientes-en-la-cuantificacion-de-las-tasas-de-recarga-de-acuiferos
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Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos Presentation Transcript

  • Tendencias recientes en lacuantificación de las tasasde recarga de acuíferosPor:Saul Montoya M.Sc.Ene 2013
  • www.gidahatari.comPresentación hechasobre las base de lapublicación y apuntesde:Estimating GroundwaterRechargeRick HealyU.S. Geological SurveyDenver, CO
  • ¿Porqué es importante larecarga subterránea?• La tasa, distribución y localización de la recargason importantes para una gestión eficiente de losrecursos de agua subterránea, tanto en términosde abastecimiento de agua como decontaminación.• Los modelos de flujo subterráneo requierenestimaciones de la recarga.• Áreas de gran recarga son más susceptibles a lacontaminación.
  • Objetivos de la presentación• Proveer el contexto teórico, los supuestos y losrequerimientos lógicos de varios métodos para laestimación de la recarga.• Discutir distintos casos de aplicación dediferentes métodos.
  • ¿Qué incluye la presentación?• Revisión de los procesos de recarga de aguasubterránea.• Revisión de diferentes enfoques que están siendousados para estimar la recarga.• Resaltar algunos métodos con ejemplos.• Conclusiones
  • Terminología• Recarga : movimiento del aguasuperficial al nivel freático• Tasa de recarga: Flujo de agua deinfiltración [L3/T] que llega al cuerpode agua subterránea.
  • Terminología• Recarga Difusa: agua de precipitación infiltrada ypercolada hacia la zona no saturada, se producerelativamente uniforme en grandes áreas.• Recarga Enfocada: se produce a partir de lainfiltración de los cuerpos de agua superficiales,como ríos, lagos y embalses.Nota: La actividad agrícola también producerecarga difusa o enfocada
  • Terminología• Infiltración: movimiento del agua de la superficiehacia el subsuelo. Puede percolarsegravitacionalmente o ser absorvida por las raices.• Infiltración neta: Movimiento gravitacionalmenteprofundo del agua por debajo de la zonaradicular. También referido como drenaje,percolación y recarga potencial.
  • • Flujo pistón: flujo uniforme, únicamenteadvectivo, sin dispersión o mezcla. El avance delagua desplaza más agua.• Flujo matriz – flujo teórico advectivo / dispersivodescrito por la ecuación de Richards y la ecuaciónde advección / dispersión.• Flujo preferencial - flujo rápido, no uniforme, através de vías preferenciales, evita la mayorparte de la matriz del suelo. Puede darse endiscontinuidades o en cavidades de raíces.Terminología
  • Zona de SueloLa zona de suelo seextiende desde lasuperficie hasta unmáximo de un metroy esta relacionadacon la profundidad deraíces.20cm
  • PorosidadSecundaria?Roca sedimentariaAmazonasDirecciones Preferenciales
  • Dificultades en la Estimaciónde la Recarga• Las tasas pueden ser altamente variablesespacialmente y temporalmente.• Existe una incertidumbre inherente en todos losmétodos de evaluación. Es difícil evaluar laexactitud de cualquier método.• Los métodos pueden ser costosos y prolongados.
  • Consideraciones en la seleccióndel método• Definir el modelo conceptual de Cómo, Cuándo yDónde ocurre la recarga.– Ocurre recarga difusa o enfocada?• Establecer la escala espacial de estudio.– Sitio de interés de un proyecto, cuenca, oregión?• Definir la escala escala temporal.– Basado en eventos de precipitación,estacionalmente o anualmente, o histórica?
  • • Presupuesto y período de estudio – Muyimportante 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, nivelesde agua subterránea.• Evaluar los supuestos para cada métodoConsideraciones en la seleccióndel método
  • Zona no saturadaTipos deTensiómetros para laMedición deHumedad del SueloCurvas de “FrenteHumedo” conMODFLOW UFZ
  • Métodos para la estimaciónde 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.
  • www.gidahatari.comMétodos de balancehídrico
  • Balance Hídrico• El balance hídrico ayuda a construir el modeloconceptual del proceso de recarga.• Existen una diversidad de métodos.• La mayoría de los modelos numéricos se basanen una ecuación del balance hídrico.• El volumen de control del balance pueden seracuíferos, cuencas, arroyos, zona de suelo, etc.
  • PrecipitaciónDescarga localizada de aguasubterránea y almacenamientoen depresionesTranspiracionEvaporacionInfiltraciónEscorrentía superficialInterflujoFlujo deaguasubterránea
  • Distribución del FlujoDistribución del Flujo enun Río en EscorrentíaSuperficial, Interflujo yFlujo Base
  • P + Qon = ET + DS + QoffEcuación del Balance de Aguapara CuencasLas 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 + irrigaciónQon = flujo de entrada de aguaET = suma de evaporación en el suelodesnudo, cuerpos de agua y la transpiraciónDS = cambio en el almacenamiento de aguaQoff = flujo de salida de agua
  • Ecuación del Balance de Aguapara Cuencas
  • Qon = Qswon + QgwonET = ETsw + ETgw + ETuzDS = DSsw + DSsnow + DSuz + DSgwQoff = Qswoff + Qgwoff = RO + Qbf + QgwoffSubcomponentes a considerarDonde: sw = aguas superficialesgw = aguas subterráneasuz = zona no saturadasnow = nieveRO = escorrentía directaQbf = caudal base
  • 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
  • Combinando las ecuaciones (1) y (2):P + Qswon = R + ETsw + ETuz + DSsw +DSsnow + DSuz + ROEcuaciones de Recarga
  • 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
  • Estación de Ratio de Balance de Energía de Bowen
  • Sensores deCorrelación de EDDYHigrómetro deKrypton (densidad devapor)Anemómetro sónico(vector viento,temperatura)
  • 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)
  • 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).
  • Ejemplo: Estudio del Balance hídrico en el noroestede Illinois para estimar la recarga difusa.
  • 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.
  • 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.
  • www.gidahatari.comMétodos demodelamiento 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 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
  • Un método de simulacióntransiente de la recarga deagua subterránea en el nivelfreático profundo (Floridacentral)
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • MODFLOW 2005 con Flujo enZona no Saturada (UFZ)Curvas de “FrenteHumedo”Flujo en la zona no saturadaacoplada con un modelo deaguas subterráneas
  • 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.
  • Diagramaesquemático deUSGS PRMS
  • 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.
  • Método RRR y comparación conrecarga de modelos de flujo deaguas subterráneas
  • 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.
  • www.gidahatari.comMétodos de trazadores
  • 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 ).
  • Trazadores ideales• Conservativos• Tasa de entrada conocida• Puede ser medido con precisión y a bajocosto
  • 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 partenorte de Southern High Plains (Woodand Sanford, 1995)yrmmLmgLmgyrmmCCPRgwClPCl/11/2.25/58.0/485
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  • 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.
  • www.gidahatari.comMétodos físicos de lazona no saturada
  • Zona no saturada – Métodos físicos• Método plano de flujo cero.• Método de Darcy.• Lisimetría.Generalmente proporcionan estimacionespuntuales en el espacio y el tiempo
  • www.gidahatari.comMétodos físicos de lazona 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 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}
  • 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
  • La línea punteada es la curva de recesión
  • 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
  • www.gidahatari.comMétodos basados ​​endatos de agua superficial
  • 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.
  • 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
  • Medidor Electromagnéticode filtraciónRosenberry and Morin [2004]
  • 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]
  • 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?
  • Hidrograma de caudal diario separado con RORA, (Rutledge, AT,1998, WRIR98-4148 fig. 13)
  • Distribución del FlujoDistribución del Flujo enun Río en EscorrentíaSuperficial, Interflujo yFlujo Base
  • Estimación de la recarga usando lascurvas de duración de caudalesImportancia de lapendiente:PendienteEmpinada : no sealmacenan en lacuencaPendiente Suave :almacenamientode aguasubterránea
  • 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
  • Métodos de datos de aguasuperficial• Escasez de datos disponibles.• Herramientas (programas computacionales) estándisponibles.• Muchas de los supuestos necesitan seranalizados.
  • www.gidahatari.comSelección 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, programascomputacionales.
  • 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.
  • 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
  • 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
  • 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
  • Tendencias recientes en lacuantificación de las tasasde recarga de acuíferosPor:Saul Montoya M.Sc.Ene 2013