Calculo de La Recarga Potencial de Acuiferos
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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA REGIONAL DE INGENIERIA SANITARIA Y RECURSOS HIDRAULICOS CALCULO DE LA RECARGA POTENCIAL DE ACUIFEROS MEDIANTE UN BALANCE HIDRICO DE SUELOS CURSO: HIDROLOGIA PROFESOR: PhD. Elfego Orozco POR: Ing ELVIN GEOVANY AGUILERA GUATEMALA, 30 DE NOVIEMBRE DE 2009
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Julio 2008
1 ERIS/USAC-GUATEMALA
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA REGIONAL DE INGENIERIA SANITARIA Y RECURSOS HIDRAULICOS
CALCULO DE LA RECARGA POTENCIAL DE
ACUIFEROS MEDIANTE UN BALANCE HIDRICO DE
SUELOS
CURSO: HIDROLOGIA
PROFESOR: PhD. Elfego Orozco
POR: Ing ELVIN GEOVANY AGUILERA
GUATEMALA, 30 DE NOVIEMBRE DE 2009
Julio 2008
2 ERIS/USAC-GUATEMALA
RESUMEN: Esta investigación se describe la
metodología del balance hídrico aplicada al cálculo
de recarga potencial de acuíferos. Se analiza a
detalle cada uno de las variables que intervienen en
el proceso de recarga. Esta metodología fue
evaluada por Schosinski en acuíferos de Costa Rica
y ha sido aplicada en países de la región Centro
Americana.
Palabras claves: Acuífero, Recarga,
infiltración, balance hídrico,
evapotranspiración.
ABSTRACT: This research describes the
methodology applied to the water balance calculation
of water recharge of aquifers. We analyze in detail
each of the factors involved in the recharging
process. This methodology was evaluated by
Schosinski into aquifers of Costa Rica and has been
implemented in countries of the Central American
region.
INTRODUCCIÓN: Con los aumentos
crecientes de la población aumentan también
las demandas de alimentos y agua y la
explotación de los mismos. Debido a esto y a
la reducción de la oferta de agua para diversos
usos se están implementando otros métodos
de obtener el recurso agua como ser pozos.
La necesidad de conocer el potencial de aguas
subterráneas para ser explotadas mediante
pozos, conlleva a estimar la recarga de los
acuíferos en proyectos de evaluación de las
aguas subterráneas, lo que ha hecho que en
muchos países se realicen estudios tendientes
a establecer dicha recarga con base en la
distribución de precipitación y coeficientes de
infiltración en los suelos del país en estudio.
El potencial de las aguas subterráneas de un
acuífero, representa la máxima cantidad de
agua a sustraer del acuífero, para que no sea
sobreexplotado. Dicho potencial se estima
mediante la recarga al acuífero, que se
determina conociendo en primer lugar, la
fracción de lluvia que es interceptada por el
follaje. En segundo lugar, se requiere conocer
la infiltración del agua de lluvia hacia el suelo,
generada por la precipitación que llega a su
superficie y por ultimo se debe realizar un
balance de suelos, que nos permita estimar el
agua que drena del suelo hacia el acuífero,
que se encuentra ubicado debajo del suelo.
En el presente estudio se presenta la
metodología para el cálculo de la recarga
hídrica mensual mediante un balance hídrico.
OBJETIVOS
2.1 General
- Investigar y dar a conocer una metodología
para el cálculo de la recarga potencial de
acuíferos aplicable a la región Centro
Americana.
2.2 Específicos
- Recopilar información sobre la recarga
natural de acuíferos
-Describir la metodología del balance hídrico
de suelos para el cálculo de la recarga
potencial de acuíferos
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REVISION DE LITERATURA
Recarga de acuíferos definición y
conceptos
Un acuífero se puede definir como formaciones
geológicas que tienen buena capacidad de
almacenar y conducir agua, algunos ejemplos
de formaciones geológicas como las arenas y
gravas no consolidadas, rocas plutónicas y
metamórficas, arenisca, caliza y dolomitas.
En términos generales se denomina recarga al
proceso por el que se incorpora a un acuífero
agua procedente del exterior del contorno que
lo limita. Son varias las procedencias de esa
recarga, desde la infiltración de la lluvia (la
más importante en general) y de las aguas
superficiales (importantes en climas poco
lluviosos), hasta la transferencia de agua
desde otro acuífero o acuitardo, siempre que
estos sean externos al acuífero o al sistema
acuífero considerado. La recarga por la lluvia,
y en general la producida a partir de aguas
superficiales, afecta a sistemas acuíferos
freáticos, es decir que limitan superiormente
con el medio no saturado.
Se llama recarga tanto al volumen de agua
como al flujo unitario (tasa de recarga), en
volumen por unidad de tiempo, que penetra en
un cierto intervalo de tiempo al medio
saturado. La recarga también es frecuente
darla como volumen por unidad de superficie y
unidad de tiempo, o altura por unidad de
tiempo. Esta tasa de recarga puede ser tanto
el valor en un momento determinado, como el
valor medio correspondiente a un cierto
periodo de tiempo, o bien el valor medio que
corresponde un largo periodo de tiempo.
García( 2005).
Los balances hídricos se suelen realizar de
forma periódica (diaria, mensual) en la zona
más superficial del terreno donde tienen lugar
los procesos de evapotranspiración (suelo
edáfico generalmente), aunque también se han
aplicado en la zona no saturada y en el propio
acuífero, variando en este escala temporal y
espacial de la estimación de la recarga.
El balance de agua en un acuífero se plantea
entre dos fechas entre las que se observa la
variación del nivel freático. El volumen
almacenado por encima del nivel freático
original se iguala a la recarga, considerando
otros posibles flujos de entrada o de salida
desde otros acuíferos o por bombeos.
Para evaluar la infiltración de lluvia que
penetra al suelo en una zona, se determinan:
la precipitación mensual de la zona, los
diferentes valores de infiltración básica de los
suelos, la cobertura vegetal del suelo y su
pendiente. Determinados los valores
anteriormente mencionados, se puede evaluar
la infiltración mediante la ecuación presentada
por Schosinsky & Losilla, (2000).
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Conocida la infiltración, se puede realizar un
balance de suelos para estimar el agua que
queda libre para recargar el acuífero que se
encuentra debajo del suelo analizado. Para
poder realizar el balance, se determinan: la
infiltración de lluvia que penetra al suelo, la
cobertura vegetal del suelo, la profundidad de
las raíces extractoras del agua, la capacidad
de campo, el punto de marchitez del suelo, la
evapotranspiración potencial y la humedad del
suelo al inicio del análisis.
El estudio del balance de suelos se basa en el
principio de la conservación de la materia. O
sea, el agua que entra a un suelo, es igual al
agua que se almacena en el suelo, más el
agua que sale de él. Las entradas son debidas
a la infiltración del agua hacia el suelo, y las
salidas se deben a la evapotranspiración de
las plantas, más la descarga de los acuíferos.
En el siguiente estudio se presenta una
metodología para el cálculo de la recarga de
un acuífero mediante un balance hídrico de el
área de estudio.
La recarga al acuífero se lleva a cabo, si la
cantidad de agua que infiltra es suficiente para
llevar al suelo a capacidad de campo y
además satisfacer la evapotranspiración de las
plantas. El agua sobrante, una vez satisfecha
la capacidad de campo y la
evapotranspiración, es la que recarga al
acuífero.
Cálculo de recarga potencial al acuífero
La siguiente es una ecuación general para un
balance hídrico:
P − IN − Es − ETR − Rp = Δθ
Donde:
P = precipitación
IN =interceptación
Es = escorrentía superficial
ETR = evapotranspiración real
Pe =recarga en transito
Δθ= variación del contenido de humedad.
Siendo más específicos enfocándonos
solamente en la recarga partiendo del agua
que infiltra Schosinsky (2006), propone la
siguiente ecuación:
Rp = Pi + HSi – HSf – ETR
Donde:
Rp = Recarga potencial mensual en mm/mes.
Pi = Precipitación que infiltra en mm/mes.
HSf = Humedad del suelo al final del mes en
mm.
ETR = Evapotranspiración real en mm/mes
Desglosando cada uno de los factores
anteriores y procediendo con la infiltración a
partir del agua lluvia, se hace necesario el
cálculo de la lluvia interceptada por el follaje de
las plantas para luego proseguir al cálculo de
la infiltración.
Cálculo de infiltración pluvial mensual
En el cálculo de la precipitación que infiltra
mensualmente, se han de considerar los
siguientes factores: la precipitación mensual, la
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retención pluvial mensual en el follaje y el
coeficiente de infiltración.
El cálculo de la precipitación que infiltra
mensualmente (Pi) al suelo, está dado por la
siguiente ecuación:
Pi = (Ci)(P-Ret)
Donde:
Pi = Precipitación que infiltra mensualmente al
suelo en [mm/mes].
Ci = Coeficiente de infiltración [adimensional]
P = Precipitación mensual en [mm/mes] (dato
meteorológico).
Ret = Retención de lluvia mensual por follaje
en [mm/mes]
Coeficientes de infiltración El ¨Manual de Instrucciones de Estudios
Hidrogeológicos¨ elaborado por la ONU con
colaboración de los gobiernos de
Centroamérica y Panamá, proponen la
siguiente ecuación para el cálculo del
coeficiente de infiltración que corresponde a la
fracción de lluvia mensual que infiltra. Como se
puede ver en la ecuación tiene restricciones
limitándose al valor de 1 como valor máximo
para el coeficiente.
Si Kp+Kv+Kfc es ≤ a 1, entonces
Ci = Kp + Kv + Kfc.
Ci =1 Si Kp+Kv+Kfc es mayor de 1
Donde:
Ci = Coeficiente de infiltración [adimensional].
Kp = Fracción que infiltra por efecto de
pendiente [adimensional] (Anexo 1).
Kv = Fracción que infiltra por efecto de
cobertura vegetal [adimensional] (Anexo 1).
Kfc = Fracción que infiltra por textura del suelo
[adimensional].
Uno de los factores que más influyen en la
infiltración de la lluvia en el suelo, es el
coeficiente de infiltración debido a la textura
del suelo (Kfc), que está dado tentativamente
por la siguiente ecuación (Schosinsky &
Losilla, 2000):
Kfc = 0,267ln(fc) – 0,000154fc – 0,723
aplicable si fc se encuentra entre 16 a 1568
mm
Para fc menores a 16 mm/día,
Kfc = 0,0148fc/16
Para valores de fc mayor a 1568 mm/día, Kfc
= 1.
Kfc [adimensional] = Coeficiente de infiltración
(fracción que infiltra por textura del suelo);
fc [mm/día] = Infiltración básica del suelo.
El valor de fc corresponde a la permeabilidad
del suelo saturado, en los primeros 30
centímetros de profundidad, por considerar
que este es el espesor que está en contacto
directo con el agua de lluvia. Dicho valor se
obtiene en el campo, con la prueba de anillos
aplicada en la superficie del terreno.
Fracción de lluvia interceptada por el
follaje
Según (Schosinsky & Losilla, 2000) lluvias
menores a 5 mm mensuales no generan
infiltración pues quedan retenidas en el follaje
sin llegar al suelo, además (Butler, 1957)
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considera que la retención de la lluvia en
follajes es del 12% de la precipitación mensual.
Para calcular la retención de lluvia mensual
interceptada por el follaje (Ret), se aplicará la
siguiente ecuación: Ecuación para el cálculo
de la retención mensual de lluvia por follaje.
Si P es menor o igual a 5 mm/mes;Ret = P.
Si el producto (P)(Cfo) es mayor o igual de 5
mm/mes; Ret = (P)(Cfo).
Si P es mayor de 5mm/mes y el producto
(P)(Cfo) menor de 5, Ret = 5.
Donde:
P = Precipitación mensual del mes [mm/mes].
Ret = Retención de lluvia en el follaje
[mm/mes].
Cfo = Coeficiente de retención del follaje
Balance del suelo y cálculo de ETR Para el balance del suelo, en primera instancia
se requiere la infiltración mensual al suelo,
generada por la lluvia. Posteriormente, es
necesario conocer la capacidad de campo y
punto de marchitez del suelo. Estos valores, se
obtienen directamente del laboratorio de
suelos o se estiman mediante el Cuadro 2.
También es necesario conocer la profundidad
aproximada de las raíces extractoras de agua,
en la zona donde se ha de realizar el balance.
O sea, el balance se realizará en un prisma
rectangular, que tiene en la cara superior un
cuadrado de 1 metro de lado y de profundidad
la de las raíces, con capacidad de absorción
del agua en el suelo. El Anexo 3 muestra la
profundidad mencionada de raíces de algunas
plantas.
La forma natural de extracción de agua del
suelo es mediante la transpiración de las
plantas. Dicha extracción se realiza mediante
las raíces; por lo tanto, la extracción de agua
se realizará en una franja de suelo que tiene
una profundidad igual a la mostrada en el
Anexo 3.
La máxima humedad que puede tener un suelo
que no se encuentre saturado, es igual a la
capacidad de campo, es entonces cuando la
planta tiene la máxima capacidad de
transpiración. La mínima humedad que puede
tener un suelo es aproximadamente igual al
punto de marchitez, pues con humedades
menores la planta muere.
Para poder convertir la humedad del suelo,
punto de marchitez y capacidad de campo a
milímetros, los pasaremos de porcentaje por
peso de suelo seco, tal como aparecen en
tablas o laboratorio de suelos, a porcentaje por
volumen mediante la siguiente ecuación:
Volumen= (% suelo seco) (Densidad
Aparente) (Profundidad de raíces)
ETP
Para el cálculo de la evapotranspiración
potencial, existen una serie de ecuaciones,
algunas de ellas requieren una serie de datos,
que pocas estaciones meteorológicas los
tienen. Por este motivo, se utilizará la ecuación
de Blaney & Criddley, el método se basa en el
pricipio de que la ETP es proporcional al
número de horas luz y la temperatura media
del aire. El método es aconsejable para
períodos entre 10 y 30 días. (Orozco, E).
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ETP = 0.24 + 0.0311*T* (0.0457*T + 8.13) p*D
Donde:
ETP = Evapotranspiración potencial en
[mm/mes]
T = Temperatura media mensual en [grados
centígrados] (dato meteorológico)
p = Porcentaje de horas de luz solar mensual,
con respecto al año [%]
D= Número de días para el estudio
Recarga al acuífero
Al iniciar un mes cualquiera, el suelo tendrá
una humedad inicial (HSi). Si no existiese
evapotranspiración, la precipitación que infiltra
(Pi) vendría a aumentar la humedad en el
suelo, permitiendo una mayor
evapotranspiración. Si no consideramos la
evapotranspiración, el coeficiente de humedad,
al final del mes, sería (C1):
C1 = (HSi – PM + Pi) / (CC-PM)
Donde:
C1 = Coeficiente de humedad al final del mes
antes de que ocurra la evapotranspiración.
Hsi = Humedad al inicio del mes, humedad de
suelo inicial en [mm].
PM = Punto de marchitez en [mm].
Pi = Precipitación que infiltra en [mm/mes].
CC = Capacidad de campo en [mm].
Si consideramos que ocurre la
evapotranspiración, una vez ocurrida la
infiltración, el coeficiente de humedad, al final
del mes sería:
C2 = (HSi – PM + Pi – ETR1) / (CC-PM)
Donde:
C2 = Coeficiente de humedad al final del mes,
después de que ocurra la evapotranspiración.
ETP = Evapotranspiración potencial [mm/mes].
Definiremos como humedad disponible (HD),
aquella humedad que pueden tomar las raíces
de las plantas, para poder evapotranspirar. La
humedad disponible está dada por la siguiente
ecuación:
HD (mm/mes) = HSi + Pi –PM
Donde:
HD = Humedad disponible [mm/mes].
Hsi = Humedad de suelo inicial (al inicio del
mes) [mm].
Pi = Precipitación que infiltra [mm/mes].
PM = Punto de marchitez [mm].
Entonces para el cálculo de la ETR se toma en
cuenta la HD
-ETR (mm/mes) = ((C1+C2)/2)*ETP siempre y
cuando el valor de ETR es menor o igual a la
HD
-ETR (mm/mes) = HD si ((C1+C2)/2)*ETP es
mayor o igual a la HD
Donde:
ETR = Evapotranspiración real promedio de la
zona, ocurrida durante el mes [mm/mes].
C1 = Coeficiente de humedad máximo, sin
considerar la evapotranspiración
[adimensional].
C2 = Coeficiente de humedad mínimo
considerando evapotranspiración calculada
con C1,
[adimensional].
ETP = Evapotranspiración potencial [mm/mes].
HD = Humedad disponible [mm/mes]
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Ecuación para el cálculo de HSf
Si (HD + PM – ETR) es menor que la CC, HSf
= HD + PM – ETR
Si (HD + PM – ETR) es mayor o igual que la
CC, HSf = CC
Donde:
HSf = Humedad del suelo final (final de mes)
[mm].
HD = Humedad disponible [mm/mes].
PM = Punto de marchitez [mm].
ETR= Evapotranspiración real [mm/mes].
CC = Capacidad de campo [mm].
CONCLUSIONES
La metodología descrita anteriormente es para
calcular la recarga de un acuífero
mensualmente, pero estamos abordando el
cálculo de la recarga potencial a un acuífero
teniendo como única entrada la precipitación,
lo cual no garantiza que la cantidad de agua de
recarga calculada mediante la metodología
llegue hasta el acuífero pues dependerá de las
condiciones geológicas de la zona.
La ventaja de la metodología es la cantidad de
variables que considera y que son de
importancia para realizar los cálculos, entre
estas variables se encuentra; la precipitación
mensual, la retención por la vegetación, la
capacidad de infiltración de los suelos, la
cobertura vegetal, profundidad de raíces,
evapotranspiración real, uso del suelo y
pendiente del terreno.
Al momento de realizar los cálculos se debe
considerar las estaciones ubicadas en el área
de recarga, en caso de existir mas de una
estación conviene dividir el área en polígonos
de Thiessen y en base a ello realizar los
cálculos. Otro factor importante de considerar
es la cobertura vegetal, en este caso igual que
la precipitación conviene mapear la zona antes
de proceder a los cálculos.
La metodología presentada puede ser aplicada
al cálculo de la recarga en acuíferos de la
región Centro Americana, pues los datos
requeridos no hay mayor problema en
obtenerlos siempre y cuando sean de buena
confiabilidad. Existen otras metodologías como
la utilización de hidrología isotópica, métodos
de medición directa y métodos hidrodinámicos.
Mas sin embargo no existen estudios de otras
metodologías en la región.
Aunque en la región se han realizado pocas
investigaciones al respecto aplicando esta
metodología pero los pocos trabajos realizados
se han obtenido buenos resultados donde los
márgenes de error obtenidos son aceptables.
BIBLIOGRAFIA
GARCIA, A. 2005. Recarga a los acuíferos
Españoles mediante un balance
Hidrogeoquímico. Tesis PhD. Universidad
de Catalunya. Barcelona España. 128 Pág.
ONU-Programa para el Desarrollo.
Organización Meteorológica Mundial
"Manual de Instrucciones Estudios
Hidrológicos". San José, Costa Rica. 1972
Julio 2008
9 ERIS/USAC-GUATEMALA
OROZCO, E. Sf. Apuntes de la Clase
Hidrología. Universidad San Carlos de
Guatemala. 15 pág.
SCHOSINSKY, G., 2006: Cálculo de la
recarga potencial de acuíferos mediante un
balance hídrico de suelos.- Rev. Geol.
Amér. Central, 34-35: 13-30.
SCHOSINSKY , G. & LOSILLA, M., 2000.
Modelo analítico para determinar la
infiltración con base en la lluvia mensual.-
Rev. Geol. Amér. Central, 23: 43-55
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ANEXOS
Anexo 1 Anexo 3
Anexo 2
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Anexo 4. Modelo Excel para el cálculo de la recarga hídrica
Textura del Suelo: Franco arenoso Cultivo Frijol
Fc (mm/dia) 84
Mes Sept % mm
Kp (0.03%) 0.2
CC 18 27.0 135
Kv Bosque 0.2
PMP 8 12 60
Kfc 0.447
CC-PMP 75
Ci 0.847092 DAP (g/cm3) 1.5
PR 500 mm Cfo 0.12
Concepto Ene Feb Mar Abril Mayo Jun Jul Agos Sept Oct Nov Dic Anual
PP 0 0 0 2.5 137 113 24 250 207 128 55 4 Ret 0 0 0 2.5 16.44 13.56 2.88 30 24.84 15.36 6.6 4 Pi 0 0 0 0 102.13 84.23 17.89 186.36 154.31 95.42 41.00 0 681.33
Esc 0 0 0 0 18.43 15.21 3.23 33.64 27.85 17.22 7.40 0.00 ETP 82 161 197 197 182 159 162 164 82 77 142 151 hsi 59.5 60 60 60 60 71.1254 75.8603 12.7508 135 135 135.00 135 C1 0 0 0 0 1 1 1 1 1.0 1 1 1 ETR1 0 0 0 0 182 159 162 164 82 77 142 151 C2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 HD 0 0 0 0 102.1254 95.3603 33.7508 139.111 229.31 170.42 116.00 75 ETR 0 0 0 0 91 79.5 81 82 82 77 142 75.5 Hsf 60 60 60 60 71.12542 75.8603 12.7508 135 135.00 135.00 135 59.5 Rp 0 0 0 0 0 0 0 0 72.3063 18.4165 0 0 90.723
