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 Conozca más de nosotros: http://www.gidahatari.com/es/soluciones-para-el-medio-ambiente

1. Tendencias recientes en la
cuantificación de las tasas
de recarga de acuíferos
Por:
Saul Montoya M.Sc.
Ene 2013

2. 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

3. ¿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.

4. 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.

5. ¿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

6. 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.

7. 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

8. 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.

9. • 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

10. 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

11. Porosidad
Secundaria?
Roca sedimentaria
Amazonas
Direcciones Preferenciales

12. 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.

13. 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?

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 de
Tensiómetros para la
Medición de
Humedad del Suelo
Curvas de “Frente
Humedo” 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. www.gidahatari.com
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
Transpiracion
Evaporacion
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 Agua
para Cuencas

23. Qon = Qsw
on + Qgw
on
ET = ETsw + ETgw + ETuz
DS = DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw
Qoff = Qsw
off + Qgw
off = 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

24. La ecuación de balance hídrico en una cuenca
puede ser expresada como:
P + Qsw
on + Qgw
on= ETsw + ETgw + ETuz +
DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw + Qgw
off + 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

25. Combinando las ecuaciones (1) y (2):
P + Qsw
on = R + ETsw + ETuz + DSsw +
DSsnow + DSuz + RO
Ecuaciones de Recarga

26. 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

27. Estación de Ratio de Balance de Energía de Bowen

28. Sensores de
Correlación de EDDY
Higrómetro de
Krypton (densidad de
vapor)
Anemómetro sónico
(vector viento,
temperatura)

29. 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)

30. 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).

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

33. 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.

34. 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.

35. www.gidahatari.com
Métodos de
modelamiento numérico

36. 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

37. 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

38. Un método de simulación
transiente de la recarga de
agua subterránea en el nivel
freático profundo (Florida
central)

39. 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

40. 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.

41. 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.

42. 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

43. 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.

44. Diagrama
esquemático de
USGS PRMS

45. 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.

46. Método RRR y comparación con
recarga de modelos de flujo de
aguas subterráneas

47. 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.

48. www.gidahatari.com
Métodos de trazadores

49. 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 ).

50. Trazadores ideales
• Conservativos
• Tasa de entrada conocida
• Puede ser medido con precisión y a bajo
costo

51. 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

52. 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
CP
R
gwCl
PCl
/11
/2.25
/58.0/485






53. #
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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

54. 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.

55. www.gidahatari.com
Métodos físicos de la
zona no saturada

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

57. www.gidahatari.com
Métodos físicos de la
zona saturada

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

59. 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 + {Qgw
off - Qgw
on}

60. 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

61. La línea punteada es la curva de recesión

63. 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

64. www.gidahatari.com
Métodos basados ​​en
datos de agua superficial

65. 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.

66. 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

67. Medidor Electromagnético
de filtración
Rosenberry and Morin [2004]

68. 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]

69. Análisis de Hidrográmas
• Recarga difusa / areal
• Flujo Base = recarga?
R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgw
off - Qgw
on}
• 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?

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

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

72. 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

73. 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

74. Métodos de datos de agua
superficial
• Escasez de datos disponibles.
• Herramientas (programas computacionales) están
disponibles.
• Muchas de los supuestos necesitan ser
analizados.

75. www.gidahatari.com
Selección de Método

76. 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.

77. 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.

78. 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

79. 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

80. 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

81. Tendencias recientes en la
cuantificación de las tasas
de recarga de acuíferos
Por:
Saul Montoya M.Sc.
Ene 2013