Tendencias recientes en la

cuantificación de las tasas

de recarga de acuíferos

Por: Saul Montoya M.Sc.

Ene 2013

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Presentación hecha sobre las base de la publicación y apuntes de: Estimating Groundwater Recharge Rick Healy U.S. Geological Survey Denver, CO

¿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.

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.

¿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

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.

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

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.

• 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

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

Porosidad Secundaria?

Roca sedimentaria

Amazonas

Direcciones Preferenciales

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.

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?

• 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

Zona no saturada

Tipos de Tensiómetros para la Medición de Humedad del Suelo

Curvas de “Frente Humedo” con

MODFLOW UFZ

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.

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Métodos de balance hídrico

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.

Precipitación

Descarga localizada de agua

subterránea y almacenamiento

en depresiones

Transpiracion

Evaporacion

Infiltración

Escorrentía superficial

Interflujo Flujo de

agua

subterránea

Distribución del Flujo

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

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

Ecuación del Balance de Agua para Cuencas

Qon = Qswon + Qgw

on ET = ETsw + ETgw + ETuz DS = DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw Qoff = Qsw

off + Qgwoff = 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

La ecuación de balance hídrico en una cuenca puede ser expresada como:

P + Qsw

on + Qgwon= ETsw + ETgw + ETuz +

DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw + Qgwoff + 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

Combinando las ecuaciones (1) y (2):

P + Qswon = R + ETsw + ETuz + DSsw +

DSsnow + DSuz + RO

Ecuaciones de Recarga

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

Estación de Ratio de Balance de Energía de Bowen

Sensores de Correlación de EDDY

Higrómetro de

Krypton (densidad de

vapor)

Anemómetro sónico

(vector viento,

temperatura)

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)

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).

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

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.

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.

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Métodos de modelamiento 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 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

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

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

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.

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.

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

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.

Diagrama esquemático de

USGS PRMS

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.

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

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.

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Métodos de trazadores

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 ).

Trazadores ideales

• Conservativos

• Tasa de entrada conocida

• Puede ser medido con precisión y a bajo costo

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 parte norte de Southern High Plains (Wood and Sanford, 1995)

yrmm

Lmg

Lmgyrmm

C

CPR

gwCl

PCl

/11

/2.25

/58.0/485

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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

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.

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Métodos físicos de la zona no saturada

Zona no saturada – Métodos físicos

• Método plano de flujo cero.

• Método de Darcy.

• Lisimetría.

Generalmente proporcionan estimaciones puntuales en el espacio y el tiempo

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Métodos físicos de la zona 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 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 + {Qgwoff - Q

gwon}

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

La línea punteada es la curva de recesión

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

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Métodos basados en

datos de agua superficial

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.

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

Medidor Electromagnético de filtración

Rosenberry and Morin [2004]

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]

Análisis de Hidrográmas

• Recarga difusa / areal

• Flujo Base = recarga?

R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgwoff - Q

gwon}

• 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?

Hidrograma de caudal diario separado con RORA, (Rutledge, AT,

1998, WRIR98-4148 fig. 13)

Distribución del Flujo

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

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

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

Métodos de datos de agua superficial

• Escasez de datos disponibles.

• Herramientas (programas computacionales) están disponibles.

• Muchas de los supuestos necesitan ser analizados.

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Selección 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, programas computacionales.

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.

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

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

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

Tendencias recientes en la

cuantificación de las tasas

de recarga de acuíferos

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