1 modelación de la interacción río- acuífero. cálculo del caudal intercambiado felix qui potuit...
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Modelación de la interacción Río-Acuífero.
Cálculo del caudal intercambiado
Felix qui potuit rerum cognoscere causas. (Virgilio)
Jesús CarreraGrupo de Hidrología Subterránea
I JAlmera (IDAEA)CSIC
Barcelona
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Índice
• Dinámica generalizada de la interacción Río-Acuífero – ¿Por y para qué todo esto?– Formas de interacción– Principios básicos
• Medidas directas– Separación de hidrogramas– Infiltrómetros
• Cálculos indirectos– Hidráulicos– Hidroquímicos
• Discusión y conclusiones
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¿Porqué?
• ¡Porque sí! Para gestionar los recursos hídricos es necesario entenderlos.
• Para evaluar los recursos disponibles.• Para evaluar impacto antrópico
Por ejemplo:
¿Es cierto que la mayoría de la escorrentía es superficial? (Cosa que implícita o explicitamente suponen la mayoría de los estudios hidrológicos de recursos disponibles)Probablemente sí en condiciones naturales.
Pero, cada gota de escorrentía ha pasado un ratito subterráneo
Luego,
NO!, si se bombea intensamente el acuíferoDinámica de la interacción
4Dinámica de la interacción
Mecanismos de generación de escorrentía
Si se reduce el nivel piezométrico, los mecanismos de generación de escorrentía que dependen de flujo hipodérmico se reducirán
Además, se reduce (anula) el flujo basal.
Se seca el río!
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Formas de interacción Río-Acuífero
1)Río ganador
hacuífero> hrío
Condiciones naturales habituales
hacuífer
o
hrío
hacuífer
o
Vista en planta
Isopiezas
q variable
Rí
o
Zona hiporreica
Sensible a avenidas
Importancia ecológica
Bosque de ribera floreciente
Dinámica de la interacción
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Formas de interacción Río-Acuífero
Vista en planta
Isopiezas
q variable
Rí
o
2) Río perdedor, pero conectado
hacuífero< hrío
Condiciones influidas por bombeo
hacuífer
o
hrío
Zona hiporreica
Se colmata más
Más sensible a avenidas
hacuífer
o
Bosque de ribera estresado
Dinámica de la interacción
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Formas de interacción Río-Acuífero
3) Río perdedor, pero desconectado (colgado)
hacuífero<< hrío típicamente hacuífero< hrío – 2 ancho
Condiciones influidas por bombeo intenso
hacuífer
o
hrío
Vista en planta
Isopiezas
q poco sensible a traza del río
q controlado por lecho, se concentra en avenidas
Río
Bosque de ribera extinguido
Contenido de agua
Dinámica de la interacción
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Caudal en función del nivel
hacuíferohrío
Q (+, entrada al acf)
Q (-, salida del acf)
coef goteo
1) Forma convencional
2) Colmatación del lecho3) Avenidas
Qmax
Dinámica de la interacción
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Variabilidad a lo largo de la traza
En ríos conectados, muy sensible a variaciones de pendiente
x
z
En ríos ganadores hay
tramos perdedores
Sección Longitudinal
Planta
Dinámica de la interacción
El gradiente longitudinal en el acuífero tiende a igualarse a la pendiente longitudinal del río. Esto es relevante, tanto a escala local como regional.
En condiciones naturales, el río puede perder al entrar al acuífero y recuperar al salir
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Principios MUY generales
• Casi toda el agua que escurre ha pasado por debajo de la superficie del terreno
• Esto es particularmente cierto en cuencas muy explotadas, donde el flujo superficial e incluso el hipodérmico pueden quedar muy reducidos
• El agua bombeada sale de (1) almacenamiento y (2) río. A larga, todo (2), pero puede tardar mucho.
• En tramos de río desconectados, la recarga se concentra en avenidas.
• En el río, buena mezcla. En el acuífero, NO.
Dinámica de la interacción
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t
Métodos directos: Balance de agua en río
QRIO
Caso más sencillo: Análisis de hidrograma. Separación de componentes.
Alto grado de discrecionalidad
Cota inferior de descarga subterránea!!
Mejor en rios ganadores y vírgenes. ¡CUIDADO en cuencas muy antropizadas! Se tiene que complementar con balance de sales
Caudal base. Aportación subterránea
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Métodos directos: Infiltrómetro
Interfaz agua-sedimento
Sedimento
Purga
BolsaCaja
(Vazquez-Suñé et al, 2003)
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El infiltrómetro, como tantas cosas en hidrología, requiere mojarse
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Alta variabilidad espacial y temporal
inf iltración pont Alfons el Magnànim
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
13:55:12 14:24:00 14:52:48 15:21:36 15:50:24 16:19:12
m3/a
ny
inf iltració desembocadura
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
12:28:48 12:43:12 12:57:36 13:12:00 13:26:24
m3/
any
inf iltración altura parking
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
10:00 11:12 12:24 13:36
m3/
año
Descarga
Descarga
Recarga
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Dificultades del uso de infiltrómetros Variabilidad espacial Tamaño del infiltrómetro y perturbación del
fondo Asientos y ajustes del lecho Generación de gases Efectos de densidad Movimiento del agua superficial
La medida es puntual en espacio y tiempo
PERO, imprescindible para estudios de la zona hiporreica
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Métodos indirectos hidráulicos: idea básica
q T h
Flujo en el acuífero
h
t
h
hq S
t
Balance de masas en el acuífero
PROBLEMA: Conocer T y S
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2) Medida de respuesta a variación de nivel en río
Cálculo de T y S
h Rh
2R D Dh h f(t ) t Dt / L
1) Ensayos hidráulicos
h
t
Conocido , se estima D (T/S)
h
3) Medida en río desconectado
h
2D Dh (q/ T)f(t ) t Dt / L
Conocido y S(o T), se estima D
h
OJO geometría
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Arizona Versus California
CALIFORNIA
ARIZONA
Secciones de control
Sondeos con sensores a tres alturasMedio complejo: modelo numérico
Cuestión: Estimar el caudal de retorno al Río Colorado procedente de los dos Estados
Una vez calibrado el modelo se puede obtener el caudal de cada estado aplicando Darcy
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Niveles medidos y calculados
Buen ajuste, sugiere buen modeloCerca del río, los sensores someros responden más y más rápido que los profundos
Lejos del río, ocurre lo contrario
Importante porosidad drenable (diferida) en nivel freático
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Dificultades con interpretación clásica
¿Qué pasa si hay paleocauces muy permeables?Pueden llevar mas agua que todo el resto
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Río Agrio
Vigo
Barrera reactiva intercepta todo el flujo del subálveo
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Geología tras construir la barrera
¿Paleocanal sortea la barrera?
Ensayo de inundación y tres series de ensayos hidráulicos
(Roetting et al, 2005)
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Niveles medidos y calculados
100 m
0.0
0.2
0.4
0.6
0 1 2 3 4Time (days)
Hea
d va
riatio
n (m
)
T2
T2
T0
T1 T1
S-2
S-4
S-6
S-1
A-1bis
S-27
S-26
S-24
S-12
S-3
S-5
S-7
S-25
S-23
S-28
S-11
C-8
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Ajuste ensayos de bombeo
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Transmisividades estimadas
200 m
log10T (m2/day)
- 4.0
- 3.0
- 2.0
- 1.0
- 0.0
- -1.0
- -2.0
Paleo canal no sortea la barrera
Coherente con piezometría y con hidroquímica
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El Bajo Llobregat, nivel y caudal en río
-20
-10
0
10
20
30
40
66 71 76 81 86 91 96 01
AÑO
NIV
EL (
msn
m)
0
150
300
450
600
750
900
1050
CA
UD
AL (
M3/s
)
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Modelo numérico detallado
M odel Num èricD ISC RETITZAC IÓ
ESPAIAL D EL D O M IN I
Llegenda
C apa 2(AQ . PRIN C IPAL)
C apa 1 (AQ . SU PER FIC IAL)
0 500 1000
Escala gráfica
PROGRAMA DE GESTIÓ DELS AQÜÍFERS DELA CUBETA DE SANT ANDREU, VALL BAIXA I DELTA DEL LLOBREGAT.
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Balance global
50% de la recarga directa del río.
35% durante avenidas
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Ejemplo:
Si C1=0, C2=100, Cm=20 y Q1=4000, entonces:
Conocidos Q1, y C’s, se puede obtener Q2 como:
Dificultades:
1)Encontrar trazador natural tal que C1>>C2
(para que Cm>>C1 y C2>>Cm)
2)Conocer aguas extremo
Métodos hidroquímicos. Balance
1 1Q C 2 2Q C 1 2 m(Q Q )C1 1 2 2
m1 2
Q C Q CC
(Q Q )
m 12 1
2 m
C CQ Q
C C
m 12 1
2 m
2
C CQ Q
C C
20 0Q 4000 1000
100 20
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Mejor aún, si se conoce la proporción de mezcla
Entonces,
Y, en general, si hay N aguas
O, mejor:
Cálculos hidroquímicos con prop. de mezcla
1 1Q C 2 2Q C 1 2 m(Q Q )C1 1 2 2
m1 2
Q C Q CC
(Q Q )
2 m1 11
1 2 2 1T
C CQ Q(Q Q ) Q C C
12 1
1
1Q Q
i iTQ Q i
i kk
Q Q
Ejemplo:
Si C1=0, C2=100, Cm=20 y Q1=4000, entonces:
2
1 0,8Q 4000 1000
0,8
2Q 5000x0,2 1000
2
0,2Q 4000 1000
0,8
1
100 200,8
100 0
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Cálculo de las proporciones de mezcla
• La ventaja de trabajar con proporciones de mezcla es que no es tan crítico encontrar trazadores ideales ni aguas extremas.
• Se pueden deducir de datos hidroquímicos habituales
• Método de máxima verosimilitud para encontrar props de mezcla y aguas extremo a partir de BBDD hidroquímicas (Carrera et al, 2004)
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Aguas extremo supuestasMuestras de aguaAguas extremo corregidas
C1
C2
Encontrar “buenas” proporciones de mezcla
… sin hacer trampas!
Estimación independiente de aguas extremo complicado por variabilidad temporal, espacial, etc
Se puede hacer con tantas especies (comp. conservativas) como se quiera
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Dificultades
1.Variabilidad (no promediar concentraciones, sino flujos másicos)
2.Errores de medida y muestreo
3.¡OJO! La mezcla se produce en el pozo
4.En ríos perdedores, es preciso recurrir a modelos para cuantificar la mezcla.
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Síntesis
• En ríos ganadores y vírgenes, es fácil calcular la entrada por cualquier método.
• En ríos perdedores y acuíferos sobreexplotados, los métodos hidráulicos parecen más fáciles, pero requieren una buena caracterización (Ensayos de variación de nivel en el río)
• Los métodos hidroquímicos deben utilizarse siempre, al menos como complemento cualitativo. En rios perdedores, requieren muestreo exhaustivo tanto de evolución temporal en río, como de distribución espacial en acuífero.
• Lo ideal es emplear ambos.
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