MARCO TEÓRICO DEL PROCESO DE MODELACIÓN HIDROGEOLÓGICA CONCEPTUAL

Transcripción

1 CAPÍTULO 1: MARCO TEÓRICO DEL PROCESO DE MODELACIÓN HIDROGEOLÓGICA CONCEPTUAL La naturaleza está formada por un conjunto de sistemas complejos que siguen leyes particulares de funcionamiento. Para poder estudiarla, el hombre necesita realizar simplificaciones que le permitan identificar sus características principales y su comportamiento de manera cualitativa, logrando así una mejor comprensión del sistema real y pasando según los objetivos del estudio, a la fase cuantitativa. A esa simplificación cualitativa se le denomina Modelo Conceptual. Se ha de entender que el modelo conceptual no es un planteamiento estático, es perfectible en función del grado de conocimiento del sistema real y de las variables que lo componen. Si el objeto real de estudio es un acuífero se habla entonces de Modelación Hidrogeológica Conceptual. 1.1 Definición y componentes del proceso de modelación El proceso de modelación conceptual hidrogeológica, constituye la fase de identificación y caracterización de un acuífero. Por lo tanto se requiere definir una serie de parámetros que describan los componentes geométricos como forma, límites etc.; además, sus componentes físicos como permeabilidad, coeficiente de almacenamiento, transmisividad, etc. Existen también variables que describen la situación del sistema en cada momento como son las alturas piezométricas, las componentes del vector velocidad, concentración química, etc. 1 1 Emilio Custodio Guimerá; Manuel Ramón Llamas Madurga; Hidrología Subterránea ; Tomo II; Sec. 16; Cáp. 6.1; apartado 1.1, Pág. 1577; Ediciones Omega S.A. 2da. Ed.; Barcelona; 1996.

2 4 El acuífero es un elemento de un sistema hidráulico más complejo, por lo tanto existirán una serie de acciones exteriores a él que lo modifiquen (Fig. 1.1). Estas acciones podrán ser controlables o incontrolables. Las primeras son las que se emplean para conseguir un objetivo, pueden ser bombeos, recarga artificial, drenajes, etc. Las incontrolables dependen del estado del acuífero, por ejemplo el drenaje de un manantial, drenaje de un acuífero a un río, etc.; o pueden depender de factores climatológicos e hidrológicos, como la recarga natural de un acuífero, recarga de un río influente a un acuífero, etc. 2 Existen además una serie de restricciones presentes que pueden ser físicas, por ejemplo en el caso de los acuíferos libres el nivel piezométrico no puede ser superior a la altura topográfica ni menor a la del basamento; o pueden ser impuestas artificialmente, como por ejemplo limitar la altura de bombeo para evitar problemas de intrusión salina en una zona, etc. Inclusive pueden ser restricciones que obedecen a criterios de planificación, como por ejemplo, el establecimiento de caudales de bombeo máximos y mínimos 3. Con todos estos elementos, variables, acciones externas y restricciones se puede obtener una descripción del acuífero y obtener las componentes para establecer su modelo conceptual. A C C I O N E S ENTRADAS Controlables Recarga artificial Elemento 1 Elemento 2 Elemento 3 SALIDAS Controlables Bombeos, drenajes E X T E R N A S Incontrolables Recarga: - Precipitación - Río - Propiedades y características. - Parámetros :k, T,S - Variables de estado: Alturas piezométricas, CE, TSD, etc. - Límites (internos y externos) - Leyes de funcionamiento Incontrolables Descarga: - Manantial - Río - goteo Figura1.1 Esquema de un sistema hidrogeológico (Fuente: Bermoudes, Olga de. Modelo Hidrogeológico conceptual y redes de monitoreo..apuntes. En: Taller teórico y práctico de diseño de redes de monitoreo. Julio-Agosto 2003: Montevideo-Uruguay) Para poder conocer las componentes y establecer un modelo hidrogeológico conceptual adecuado, existen unos requerimientos básicos (ver Anexo A) como son: un 2 Emilio Custodio Guimerá; Manuel Ramón Llamas Madurga; Hidrología Subterránea ; Tomo II; Sec. 16; Cáp. 6.1; apartado 1.1, Pág. 1577; Ediciones Omega S.A. 2da. Ed.; Barcelona; Ibíd.

3 5 conocimiento de la Geología, dado que son las formaciones geológicas quienes contienen y almacenan el agua subterránea; información y datos hidrogeológicos que permiten conocer la dinámica, distribución y comportamiento del flujo subterráneo; conocimiento de la Hidrología de superficie que permitirá obtener información de las acciones externas recarga, interacción río-acuífero, etc.- y comprobar la coherencia del modelo conceptual planteado con datos medidos. 1.2 Utilidad y ventajas de la modelación hidrogeológica conceptual La utilidad del modelo hidrogeológico conceptual se puede explicar considerando tres grandes aspectos: hidrogeológicos, operativos y ambientales. Desde el punto de vista hidrogeológico, permitirá entender el funcionamiento del sistema, predecir su comportamiento, evaluar los recursos explotables, realizar un modelo numérico, etc. Es una herramienta útil, pues permite diseñar y optimizar redes de monitoreo y sistemas de bombeo, entre otros, así como optimizar trabajos en general evitando la pérdida de tiempo y disminuyendo costos. Permite predecir posibles impactos ambientales por el uso del sistema como, por ejemplo, asentamientos por descensos rápidos de nivel. Permite además, analizar posibles alteraciones del sistema por actividades antrópicas como son los problemas de contaminación minera, las relaciones con las aguas superficiales, contaminaciones por fertilizantes, etc. 1.3 Metodología de estudio Según los objetivos, la escala y el nivel de detalle de los estudios la metodología a emplear será distinta; por ejemplo no se utilizarán los mismos métodos para localizar un acuífero capaz de suministrar agua potable a un núcleo urbano de 1000 habitantes, que si se trata de hacer un primer reconocimiento de los embalses subterráneos de un país con una superficie de un millón de kilómetros cuadrados. Como se comprende no hay una clasificación universalmente aceptada sobre los tipos de estudios de exploración, ni sobre su terminología; en las aguas subterráneas no existe una separación tan clara entre la exploración y explotación. Sin embargo, de modo más o menos análogo a Chapond y Mortier (1967) y el U.S. Department of Agriculture (1969) se van a distinguir tres grupos de estudios: Preliminares o de reconocimiento, generales y detallados 4.En la Tabla 1.1 se muestran algunas de las características de estos estudios. Para cada uno de los tipos de estudios se requiere el establecimiento de un modelo hidrogeológico conceptual, siendo más completo y aproximado a la realidad en la medida que el estudio sea más específico y detallado. En líneas generales, se puede establecer una secuencia de investigación común que contará con el apoyo de diversas ciencias; partiendo de la recopilación de información preexistente donde la Geología y la Geomorfología tienen clara importancia-; levantamiento de nueva información donde se 4 Emilio Custodio Guimerá; Manuel Ramón Llamas Madurga; Hidrología Subterránea ; Tomo II; Sec. 15; Cáp. 5.1; apartado 1.3, Pág da. Ed; Ediciones Omega S.A.; Barcelona; 1996.

4 6 requerirá además establecer una red de observación con características particulares según el tipo de estudio; la realización de una interpretación hidrogeológica preliminar que se verá reforzada con interpretaciones de la hidroquímica convencional y de técnicas isotópicas ( ver Anexo A). Tabla 1.1 Tipos de estudio de exploración OBJETIVO Estudio Preliminar Localización de los acuíferos más importantes y una primera estimación de sus dimensiones, de sus parámetros hidrológicos, de las zonas de recarga y descarga, y de la calidad de las aguas. Estudio General ESCALA 1: a 1: ÁREA DE ESTUDIO Casi siempre superior a unos cuantos miles de Km 2 CONTENIDO/ OBSERVACIONES En este tipo de estudios se suele localizar las zonas de mayor interés para plantear las etapas de estudio posteriores. La Geología, analizada con criterio hidrogeológico, juega un papel decisivo. Esta etapa no suele exigir la realización de prospecciones geofísicas o sondeos. Requiere de una gran experiencia para el análisis. En estos estudios además de la litología, se analiza con mayor aproximación la dinámica y la geometría del acuífero. Cuantificación más aproximada los acuíferos localizados en los estudios preliminares 1: a 1:50000 Del orden de centenares o miles de Km 2 Normalmente los límites de la zona estudiada coinciden con los de una cuenca hidrográfica o los de una unidad hidrogeológica. Estudio de detalle Conocimiento pormenorizado del acuífero, que permita resolver una demanda de agua concreta 1:25000 a 1:10000 De Km 2 a centenares de Km 2 Se requiere hacer un inventario detallado de puntos de agua (pozos, fuentes). Frecuentemente prospección geofísica, sondeos, ensayos de bombeo y análisis químicos. Son estudios tanto de exploración como de explotación. Por tanto los datos hidrológicos y técnicos de las captaciones son importantes. Casi siempre es necesaria la instalación de piezómetros y realizar algunos pozos experimentales.

5 Recopilación de la información preliminar preexistente La información preliminar es de especial interés en los estudios de reconocimiento. La etapa de recolección puede resultar en ocasiones difícil por la dispersión y la falta de uniformidad de los datos, pero permite obtener valores históricos de gran interés, especialmente en cuanto a los niveles piezométricos y calidad de agua. Dentro de esta información básica preliminar a recopilar, la geológica y la geomorfológica constituyen elementos básicos para el estudio de las aguas subterráneas y un fuerte punto de apoyo junto con los datos hidrológicos para las deducciones hidrogeológicas. Los métodos geológicos son diversos en función de los objetivos del estudio tal como se menciona en la Tabla Levantamiento y observación de nuevos datos Luego de evaluar el nivel de detalle y confiabilidad de información previa sobre el acuífero en estudio se establece el levantamiento de nueva información, que según sea el caso se tratará de un levantamiento inicial cuando no existe información previa- o de un levantamiento complementario. En cualquiera de estos casos, inicial o complementario, se darán por lo menos las tres acciones siguientes: a. Reconocimiento de Campo, orientado de manera especial al conocimiento geológico y geomorfológico de la zona para el establecimiento de la geometría del acuífero; realizándose, según el tipo de estudio, de manera complementaria pruebas geofísicas, fotogeológicas, evaluación de información estratigráfica, etc. b. Pruebas para la determinación de los parámetros hidráulicos del acuífero Transmisividad (T), Conductividad hidráulica (κ), Coeficiente de almacenamiento (S), etc.,- que constituyen las características intrínsecas del acuífero. Por lo general, para obtener esta información, se suelen emplear pruebas de bombeo, en la cuales el pozo es operado y se mide la depresión o descenso del nivel en uno o más pozos de observación. La interpretación de estas curvas de descenso-tiempo, permite obtener el valor de las distintas constantes hidrogeológicas que describen el sistema de estudio. 5 c. Establecimiento de redes de observación como medio para conocer el comportamiento del acuífero y su variación espacio-temporal. Estas redes de observación podrán establecerse según el tipo de estudio, los objetivos que se persiguen y el nivel de detalle a desarrollar. De ella se puede obtener información 5 Espinoza, Carlos. Tema13_Pruebas de bombeo. En: Curso Regional de Capacitación en Modelación de Aguas Subterráneas-Proyecto RLA/8/031 Manejo Integrado y Sostenible de los Recursos Hídricos Subterráneos en América Latina, 1, Santiago de Chile. Apuntes Power Point. Santiago de Chile: Programa de Ingeniería Civil Universidad de Chile, Diapositiva 3.

6 8 diversa como muestras de agua para análisis químicos, isotópicos, microbiológicos, etc. que permitan caracterizar la composición de las aguas. La red de observación puede estar formada por piezómetros o pozos de exploración construidos especialmente para ese fin, que suelen ser las operaciones más caras de los estudios generales y detallados, o pueden emplearse puntos de agua existentes; siendo necesario en este último caso realizar un inventario de puntos de agua para determinar los más adecuados. Información más detallada sobre las redes de observación, su establecimiento e características particulares se hallan en el Anexo A, punto A Interpretación hidrogeológica Los datos obtenidos en los pasos anteriores servirán para la interpretación hidrogeológica, logrando la estimación y evaluación de las características geométricas e hidrológicas (T, κ, S, etc.), su distribución espacial representada por ejemplo, en mapas de líneas de igual conductividad hidráulica, o de igual transmisividad. Se busca también la estimación de la dinámica o funcionamiento del acuífero o sistema acuífero, conociendo la superficies piezométricas (mapas de líneas isopotenciales o hidroisohipsas) para determinar las direcciones del flujo subterráneo. 1.4 Conclusiones preliminares El modelo hidrogeológico conceptual es una simplificación del sistema acuífero real que permite resaltar y estudiar las características principales del mismo. El claro establecimiento de los objetivos a alcanzar en los estudios donde se requiera plantearse un modelo hidrogeológico conceptual, determinará la metodología a seguir y el nivel de detalle de la información a levantar. Tanto una revisión de la información preexistente como un conocimiento geológico y geomorfológico de la zona de estudio; constituyen grandes ayudas en el establecimiento de las redes de observación para conseguir nueva información. El levantamiento de nueva información hidrogeológica aporta informaciones, sistemáticamente procesadas, que permiten levantar hipótesis sobre el funcionamiento del acuífero. El resultado de esta sistematización e interpretación es el modelo conceptual del acuífero. Es en esta etapa que se sabe si la información levantada permite validar el modelo postulado. El proceso de modelación hidrogeológica conceptual es estático, requiere constante complementación y confirmación de la información.