modelación modflow t3 mecánica de fluidos

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RECARGAS DE ACUÍFEROS Y NUEVAS TÉCNICAS CARLOS ARROYO BLANCO ANGIE RODRÍGUEZ, ANGIE JAZMÍN SIFUENTES IPANAGUIRRE CASTILLO VÁZQUEZ SHIRLEY SERGIO HUAMAN VALDIVIA UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE – SEDE LOS OLIVOS FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL CURSO DE MECÁNICA DE FLUIDOS

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UPN, Ing. Ambiental.

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Page 1: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

RECARGAS DE ACUÍFEROS Y NUEVAS TÉCNICAS

CARLOS ARROYO BLANCO

ANGIE RODRÍGUEZ, ANGIE

JAZMÍN SIFUENTES IPANAGUIRRE

CASTILLO VÁZQUEZ SHIRLEY

SERGIO HUAMAN VALDIVIA

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE – SEDE LOS OLIVOS

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

CURSO DE MECÁNICA DE FLUIDOS

LIMA – PERÚ

2015

CÉSAR HERBOZO Y ROMERO

Page 2: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

1

DEDICATORIA

Este trabajo de investigación se lo dedicamos a nuestros padres; los cuales nos apoyan en nuestro día a día para ser mejor personas y cumplir la meta de ser profesionales.

A Dios, pues nos da la oportunidad de despertar cada día para ser mejores hijos y personas dentro de nuestra sociedad.

A nuestro profesor que es el guía en nuestro aprendizaje, dándonos las herramientas adecuadas para prepararnos a la vida y los retos que se representan en la sociedad.

Page 3: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

2

INDICE

CAPÍTULO I:

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………….. 4

1.1 Planteamiento de problema…………………………………………………………………. 4

1.1.1 Realidad Problemática………………………………………………………………….4

1.1.2 Formulación del problema………………………………………………………….…4

1.2 Objetivos………………………………………………………………………………………5

1.2.1 General………………………………………………………………………………….5

1.2.2 Específicos……………………………………………………………………………..5

1.3 Justificación…………………………………………………………………………………...5

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes……………………………………………………………………………....… 6

2.2 Bases Teóricas ……………………………………………………………………………….7

CAPITULO III: MATERIAL Y MÉTODOS 16

3.1 Materiales Utilizados ……………………………………………………………………….16

3.1.1 Para la Recolección de Muestras……………………………………………………..16

3.1.2 Para el Procesamiento de Muestras…………………………………………………..16

3.2 Técnicas, procedimientos e instrumentos…………………………………………………...16

3.2.1 De Recolección de datos……………………………………………………………...16

Page 4: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

3

3.2.2 De Procesamiento de datos…………………………………………………………… 17

3.3 Procedimientos……………………………………………………………………………….18

CAPÍTULO IV : RESULTADOS ……………………………………………………………23

CONCLUSIONES……………………………………………………………………………...26

RECOMENDACIONES………………………………….……………………………………27

FUENTES DE

REFERENCIA……………………………………………………………………………….... 27

ANEXOS.......................................................................................................................................28

Page 5: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

4

RESUMEN

El presente informe que será detallado a continuación nos muestra el uso de las aguas

subterráneas dando lugar a una competencia del recurso entre el consumo humano y de riego

agrícola; aprovechando así el uso hídrico, “la escasez de agua dulce y su contaminación ocupan

respectivamente el segundo y tercer lugar del problema ambiental mundial” (PNUMA, 1999),

señalando así que la escasez y el alto sumo del agua dulce ponen en peligro el desarrollo

sostenible, la seguridad alimentaria, el desarrollo industrial, la salud y el bienestar humano. Sin

embargo las fuentes superficiales como ríos y lagos, así como los acuíferos están siendo

contaminados y sobreexplotados con el alto riesgo de convertirse en recursos no renovables y no

aptos para uso humano. Por lo tanto mediante el uso del programa MODFLOW (Geological

Servicie 3.1) se tratara de simular con datos recreados de una posible realidad con el fin de

mostrar el uso de este y como funciona frente a la realidad en la que nos rodeamos.

PALABRAS CLAVES: Acuíferos, uso de aguas subterráneas y riego agrícola.

Page 6: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

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CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

La poca planificación y gestión de los recursos hídricos subterráneos gira entorno a la

economía. Mientras que el cambio climático y el calentamiento global asecha en los recursos

naturales superficiales alterando así su naturaleza misma, pero por efecto de la percepción de lo

limitado del recurso, desde hace, relativamente pocos años existe un cambio en la conciencia

social y política de la importancia de los recursos hídricos.

En la Declaración de Dublín sobre el agua y el desarrollo sostenible (Conferencia

Internacional sobre el agua y el medio ambiente, CIAMA, 1992) se señaló que la escasez y el

alto consumo del agua dulce ponen en peligro el desarrollo sostenible, la seguridad alimentaria,

el desarrollo industrial, la salud y el bienestar humano.

Entre estas técnicas los modelos matemáticos, apoyados en la elaboración por el

programa MODFLOW, en los balances hídricos y los estudios multitemporales de evolución del

territorio se están conformado como herramientas únicas, que además de describir el

funcionamiento del área de estudio, y ayudar a la toma decisiones, son capaces de simular

posibles escenarios futuros sobre los cuales se pueden realizar inferencias de carácter predictivo.

Esta capacidad de generar escenarios futuribles, con ello también se pude suponer una alteración

del ciclo hidrológico y por tanto de la disponibilidad de los recursos.

Por este motivo, este trabajo pretende ser una herramienta de apoyo a una planificación

de los recursos naturales donde prime el uso eficiente y la racionalidad, frente a la construcción o

puesta en marcha de nuevas explotaciones.

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1.1. Planteamiento del Problema

1.1.1. Realidad Problemática

La contaminación de acuíferos es un tema de preocupación fundamentalmente en aquellos

casos en que el agua subterránea es fuente de abastecimiento de agua potable, también el sector

de crecimiento poblacional y productivo, el agua constituye uno de los componentes a considerar

al momento de definir una estrategia con respecto al uso y ocupación del territorio para lograr el

desarrollo sostenible de la región.

1.1.2. Formulación del problema

Frente a los diferentes problemas ya conocidos nosotros, estudiantes de Ingeniería

Ambiental nos planteamos estas preguntas:

¿Podemos realizar una hipótesis descriptiva con el uso del programa MODFLOW

(Geological Servicie 3.1)?.

¿Qué alternativa de solución podemos brindar a las personas que usan o no los acuíferos?

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo General

Analizar la influencia generada por el desplazamiento de las aguas subterráneas.

Manejar correctamente el software para la simulación del empleo del acuífero.

1.2.2. Objetivos Específicos

Conocer la importancia del acuífero y el uso que se podría desarrollar.

Page 8: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

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1.3. Justificación

El agua es uno de los recursos naturales más preciados del planeta. Más de mil millones

de personas no disponen de agua potable, lo que provoca que cada año mueran unos tres

millones y medio de personas, en su mayor parte niños, a causa de enfermedades relacionadas

con la falta o el mal estado del agua. Por ello, la distribución equitativa y la explotación

sostenible de este recurso se presentan como uno de los principales retos del siglo XXI. En la

consecución de esta meta, los acuíferos pueden jugar un papel relevante, Sin embargo, la

contaminación, ya existente en algunas zonas, va extendiéndose lenta e irreversiblemente, debido

a varios motivos: el incorrecto uso de los compuestos químicos agrícolas en los cultivos

intensivos, el vertido de residuos urbanos e industriales y la inadecuada o inexistente gestión en

los acuíferos costeros, que acaban siendo contaminados con el agua salada del mar, quedando

inservibles para el consumo humano. Este problema es especialmente grave en la medida en que,

una vez que se ha contaminado el acuífero, su recuperación es de gran complejidad técnica y

supone un elevado coste.

Page 9: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

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CAPÍTULO II

MARCO TEORICO

2.1. Antecedentes

A nivel mundial la problemática en materia de agua es abordada bajo distintos enfoques,

pudiendo ser investigación, científica, tecnológica, social, entre otras.

Prickett y Lonnquist (1971), en los años del 60 y 70 realizaron simulaciones Electrónicas,

se realizaba una maqueta del acuífero en la que unas resistencias y condensadores simulaban

respectivamente las distintas permeabilidades y coeficientes de almacenamiento. El flujo

eléctrico hacia el papel del agua y el potencial eléctrico equivalía al potencial hidráulico. La

solución era muy laboriosa y bastante limitada.

En 2006, realizaron en la planicie de Trifa, un modelo hidrogeológico con los software

MODFLOW y WetSpass, estableciendo las cantidades que se necesitan para satisfacer las

necesidades de riego y con esto predecir la sostenibilidad de los recursos de agua subterránea en

la planicie de Trifa y evaluar las posibles acciones de gestión.

En el modelo transitorio indica que el tiempo de respuesta del acuífero es aproximadamente

de un año hidrológico, lo cual permite el desarrollo de estrategias de gestión dentro del horizonte

de tiempo.

En 2007, realizaron modelos numéricos en régimen permanente y transitorio, para

conocer el sistema de flujo de aguas subterráneas, utilizando el software MODFLOW Visual.

Los resultados del modelo indican que el bombeo induce un descenso en el flujo base,

agotando la descarga del rio. En este proceso llega a ser crítico durante periodos secos cuando el

riego aumenta.

Page 10: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

9

Knowles, et al. (2007), trabajaron en la calibración del modelo de flujo de agua

subterránea en la subregión del acuífero Port Willanga, en Australia; utilizaron una técnica de

modelación inversa, basada en minimización funcional.

Con este método propuesto generaron las estimaciones de transmisibilidad, Coeficiente

de almacenamiento y recarga en toda la subregión.

Gaur, et al. (2011), realizaron en la sub cuenca del Rio Banganga, India, un estudio

haciendo uso de modelos numéricos y un SIG, para modelar el flujo del agua subterránea

utilizando el MODFLOW. Se elaboraron distintos tipos de mapas temáticos tales como:

geológicos, geomorfológicos, de suelos, drenaje, factor de pendiente y usos de suelo para

identificar las zonas que pudieran contener agua subterránea. Los mapas elaborados se

sobrepusieron sobre la zona de estudio para validar los resultados del modelado, y con evidencia

de pozos perforados se validaron los resultados.

2.2. Bases Teóricas

Ciclo hidrológico:

En este ciclo el agua se mueve constantemente desde la atmosfera hasta la tierra, pasa por

los ecosistemas, vegetación, animales, suelo y por la corteza terrestre a océanos elemento y luego

regresa a la atmósfera existe una gran interacción entre los diferentes elementos que forman el

ciclo hidrológico.

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El ciclo puede verse también como un sistema. En este sistema pueden verse los

elementos del mismo colocados en el recuadro y los diferentes procesos de cambio representados

por las flechas cuya dirección indica que son o bien variables de entrada al sistema, o bien

variables de salida desde el mismo.

Los elementos del ciclo hidrológico constituyen la base para el desarrollo de los

ecosistemas y regiones naturales.

Acuíferos:

Es aquella formación geológica capaz de almacenar y transmitir el agua a través de ella

cantidades significativas, de modo que puede extraerse mediante obras de captación; presenta

Page 12: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

11

dimensiones muy variadas, desde pocas hectáreas de superficie hasta miles de kilómetros

cuadrados.

Tipos de Acuíferos:

Acuíferos libres, no confinados o freáticos

Son aquellos en los que el límite superior de la masa de agua forma una superficie real que

está en contacto con el aire, por tanto, a presión atmosférica. Cuando se perfora un pozo desde la

superficie del terreno, el agua aparece en el pozo al alcanzar el nivel freático.

La recarga de este tipo de acuíferos se realiza principalmente por la infiltración de la

precipitación a través del suelo y de la zona no saturada o por infiltración de agua de ríos o lagos.

Acuíferos cautivos:

Son aquellos que en su límite superior o techo, el agua está a una presión superior a la

presión atmosférica. Se comportan así los materiales permeables que están cubiertos por una

capa confinante mucho menos permeable (por ejemplo, una capa arenosa bajo otra arcillosa).

Durante la perforación de los pozos en acuíferos de este tipo, al atravesar el techo del mismo se

observa un ascenso rápido del nivel del agua hasta estabilizarse en una determinada posición. A

este fenómeno se le solía llamar artesianismo en una determinada posición. El poso será

surgente cuando el nivel piezometrico esté situado a cota superior a la boca del pozo.

La recarga de un acuífero confinado procede principalmente de la lluvia que se infiltra

directamente a través de la zona en la que aflora la formación acuífera, es decir, donde el

acuíferos se comporta como libre o bien cuando está semi confinado.

Page 13: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

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Acuíferos semi- confinados

Podemos considerar como un caso partículas de los acuíferos cautivos , en los que el muro, el

techo o ambos no son totalmente impermeables si no que permiten la circulación vertical de agua

, que puede hacerse desde o hacia el acuitado , e incluso variar con el tiempo , según sean los

valores relativos de los niveles piezometrico . A este de alimentación desde el acuitardo se le

denomina goteo.

Figura 1 Esquema de los tipos de acuíferos (tomado de Castany G.)

Intrusión del agua dulce al mar

La intrusión de agua salada o marina se debe al movimiento permanente o temporal del agua

salada hacia el continente; desplazándose la cuña marina al interior del agua dulce. Así, el agua

captada en un acuífero costero se contamina (saliniza) cuando la porción activa de la captación

se ve afectada por la zona de mezcla de agua dulce y agua salada.

Page 14: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

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Según la FAO (1981) los problemas de aguas saladas en acuíferos continentales son debidos

en primer lugar, al agua de mar que quedó atrapada en los sedimentos durante su deposición o

durante los movimientos tectónicos. Por otra parte los domos salinos u otras sales contenidas en

las formaciones pueden producir aguas de elevada concentración total. Otro de los orígenes de

la contaminación de agua salada en un acuífero costero es la sobreexplotación de las aguas por

bombeo, descendiendo el nivel de agua freático y provocando el avance anormal de la cuña

marina.

La cuña marina es una masa de agua salada de gran longitud a lo largo de la costa, con

sección en forma de cuña apoyada en la base del acuífero y vértice o pie hacia tierra adentro en

donde se encuentra la zona de mezcla.

Figura 2: Desplazamiento de la cuña marina hacia el continente, donde se aprecia la zona de

mezcla agua dulce y agua salada.

A

Nivel del agua subterránea

Pozos de bombeo

B

Nivel del mar Agua dulce

Cuña de agua salada

Zona de mezcla

Page 15: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

14

Bear, Verruijt (1987) mencionan que el agua salada y el agua dulce son realmente dos

líquidos miscibles, por lo tanto en la zona de contacto entre ellos toman la forma de una zona de

transición causada por la dispersión hidrodinámica. Esta zona de mezcla, llamada también zona

de difusión, refleja con intensidad variable las propiedades químicas e hidráulicas de cada uno

de los líquidos originales, y su ancho depende de la difusividad y dispersividad del medio y de

las características del movimiento.

La zona de mezcla dentro de la cual se sitúa la interface teórica, es una zona dinámica en

la cual el agua se mueve no sólo como consecuencia de la diferencia de densidad, sino también a

consecuencia de cambios de nivel piezometrico en ambos líquidos.

El peso específico del agua dulce se puede considerar como d = 1000 kg/m3, siendo el

del agua marina mayor, entre 1020 y 1030 kg/m3, según la salinidad y la temperatura,

considerándose el valor más usual de s = 1025 kg/m3.

1. Posición de la cuña de agua salda en ausencia de mezcla

Formula de Ghyben-Herzberg

Los primeros estudios de la relación del agua dulce y del agua salada en regiones costeras

se realizaron en Holanda y Alemania por Badon Ghyben (1889) y Herzberg (1901) Se basa

en el equilibrio estático de columnas de agua de diferente densidad (Fig. 3.6). Las hipótesis

básicas admitidas son:

1) El flujo de agua dulce es perfectamente horizontal y por tanto el potencial es

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Nivel freático

hNivel del mar

Agua dulce

ZZZ0

Agua salada

A

B

A`L

Z = 40h

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constante a lo largo de cualquier vertical.

2) No existe flujo de agua salada.

3) La interfase es un plano, no existiendo zona de mezcla.

Figura 2: Equilibrio de agua dulce y agua marina según Ghyben-Herzberg

Corrección de la relación Ghyben-Herzberg

La Ley de Ghyben-Herzberg no describe con exactitud la posición de la interface marina en

el acuífero y más aun, cerca al afloramiento del agua dulce en el mar. En la figura N° 3.7 se

observa un frente de descarga para el flujo del agua dulce a velocidades crecientes, esto debido a

la existencia de un gradiente piezometrico. Las líneas equipotenciales son constantes y las líneas

de flujo tienen una pendiente hacia arriba, la distancia a la interaccionara dada por la relación

Ghyhen- Herzberg (punto B) es menor que la profundidad real (punto A). Para gradientes

pequeños la diferencia se mantiene pequeña.

Page 17: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

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Es importante mencionar que para que exista equilibrio (condición Ghyben-Herzberg)

entre el agua dulce y agua salada, se requiere que el nivel freático o superficie piezométrica

esté por encima del nivel del mar y la pendiente este dirigida hacia el Océano.

Figura 4 Influencia de la descarga de agua dulce a velocidades crecientes (Tomado

de Custodio y Llamas)

3.4.1 Inclinación de la interface

La condición para que la interface sea estacionaria exige que la velocidad del agua

dulce Vd y del agua salada Vs, sean paralelas para una misma sección vertical (Fig.

4)De la ley de Darcy:

Nivel del terreno

Nivel piezométrico

B A

h h

Nivel del mar

Agua dulce

Agua salada

A

Page 18: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

17

Igualando las presiones en un punto de la interfase.

Despejando hd y derivando la ecuación anterior respecto a la línea de la interfase (ds), se

obtiene la siguiente expresión:

Cuando el agua dulce y el agua salada están en reposo, en la interfase se cumple que Vd =

VS = 0, y la ecuación de la interfase es dz/ds = 0 (interfase horizontal)

Si el agua dulce está en movimiento y el agua salada en reposo (Vs = 0.)

Figura 5 Inclinación de la interfase agua dulce y agua salada (tomado de Custodio y Llamas)

De la figura N° 5, se obtiene lo siguiente:

Page 19: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

18

Reemplazando las dos últimas ecuaciones, en la penultima ecuación se obtiene:

A y A´ son las pendientes del nivel freático o piezométrico y de la interfase respectivamente, en

puntos que corresponden sobre un mismo equipotencial del agua dulce. Bear J. (1987), llegó a

demostrar que en el lugar de contacto entre la interfase y el fondo del mar, la inclinación de la

interfase llega a ser vertical.

3.4.2 Interfase dinámica

En la zona de mezcla existe una difusión entre los dos líquidos a ello se suma la dispersión

hidrodinámica originada por el movimiento del agua normalmente y a lo largo de la interfase,

esta zona de mezcla está en movimiento con velocidad paralela al plano central; asimismo, este

movimiento limita el espesor de la zona de mezcla, que es tanto menos gruesa, cuanto mayor es

el flujo.

El movimiento del agua de la mezcla es inducido por el movimiento del agua dulce. El mismo

movimiento provoca un flujo de agua salada hacia el interior del continente, para ello se precisa

de un gradiente y por eso el nivel piezométrico del agua salada en el terreno es ligeramente

inferior al agua libre del mar.

Page 20: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

19

Si hay intrusión marina, existe un mayor movimiento de agua salada hacia el interior del

continente y por lo tanto el valor de hs, es aún más negativo; la interfase es más profunda y más

inclinada lo que ocasiona, además que el espesor de la zona de mezcla sea menor. Si por el

contrario es el agua dulce la que está desplazando al agua marina, el movimiento del agua salada

hacia el mar precisa que hs sea positivo y por lo tanto su pendiente es mucho menor y el espesor

de la interfase es mayor lo que hace menor el lavado de sales. De acuerdo a Tyagi y Todd

(1975) mencionado por la FAO (1981) dan la siguiente clasificación para los regímenes de la

interfase:

a. Régimen de recarga: en la zona costera el agua dulce se mueve en el acuífero por encima del

nivel del mar y sale ligeramente mar adentro o en la misma línea de la costa. La interferencia es

parabólica.

b. Régimen de circulación reducida: debido a los bombeos o a deficiencias en la recarga

natural, el nivel del acuífero baja, aunque no por debajo del nivel del mar. La zona de salida del

agua dulce hacia el mar se reduce y la zona de transición se mueve tierra adentro hasta que

alcanza el equilibrio.

c. Régimen de circulación nula: un aumento en los bombeos produce un descenso en la

superficie piezométrica de tal manera que no se produce pérdida o salida del agua dulce al mar.

La zona de transición se hace más amplía, moviéndose tierra adentro a velocidad creciente.

d. Régimen de circulación invertida: el movimiento de la interfase tierra adentro se acelera

debido a un aumento en los bombeos y modificación de la superficie piezométrica, que está por

debajo del nivel del mar.

e. Régimen de sobre-explotación: las condiciones de flujo invertido se hacen más severas y la

interfase se mueve tierra adentro, hacia los pozos causantes de la sobre-explotación.

Page 21: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

20

Superficie piezométrica o carga hidráulica:

Es una superficie virtual mostrada en un eje X y eje Y, que representa la geometría que une

los puntos que señalan la altura del agua en un acuífero, referida a una determinada profundidad

en el mismo. Las superficies piezométrica se representan mediante líneas isopiezas, o líneas

virtuales que unen puntos de igual valor del nivel ya sea freático o piezometrico en el acuífero

estudiado. También se debe procurar que la separación entre isopiezas sea equidistante para toda

la superficie.

Brinda una información de cómo se va dando la evolución espacial que tiene la profundidad

del agua desde la superficie del terreno, del sentido y valor de los gradientes hidráulicos también,

de la dirección y sentido del flujo de agua subterránea, etc.

Nivel Piezometrico.

Es la altura de la superficie libre de agua sobre el nivel del mar, en los acuiferos libres. En los

confinados, es la altura que alcanzaria el agua en el interior de un sondeo hasta equlibrarse con la

presion atmosferica, esto puede ser medido con un piezometro.

Trazado de superficies piezometricas.

Lo primero que se debe realizar es obtener los valores del nivel

piezometrico en un conjunto de puntos discretos de un acuifero, con esto se debe

trazar las curvas de nivel denominadas isopiezas que serviran para poder definir la

superficie piezometrica

El trazado de las isopiezas de un acuífero requerirá:

Page 22: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

21

- Que los valores de nivel piezómetrico medidos correspondan a un mismo

acuífero.

- Deben estar expresados en cotas absolutas esto quiere decir metros sobre el

nivel del mar.

Como lo que se mide en los pozos es la profundidad del agua desde un punto del

terreno o del borde de la entubación, ese punto debe estar correctamente nivelado

para poder transformar la profundidad en cota. Una vez comprobado el primer

requisito y realizada la transformación a cotas absolutas, la determinación del

lugar por el cual pasan las isopiezas se realiza mediante interpolación geométrica.

Balance hídrico:

Es el equilibrio entre todos los recursos hídricos que ingresan al sistema y los que salen del

mismo, en un intervalo de tiempo determinado, este concepto es derivado del balance de materia.

Se puede representar con la siguiente formula:

Page 23: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

22

- Balance Hidrico de una Cuenca Hidrografica.

Se debe definir el estado inicial de la cuenca para poder realizar el balance hidrico

esto vendria a ser la disponibilidad actual de agua, esta puede estar ubicada circulando

en rios, arroyos, lagos, pantanos, humedad del suelo, etc. Esto se conoce como

disponibilidad hidrica de la cuenca.

Las entradas de agua se pueden dar de diferentes maneras como por ejemplo las

precipitaciones, el aparte de aguas subterraneas que dan las cuencas colindantes,

transvase de agua que puedan existir.

Las salidas de agua pueden darse tambien de diversas maneras como por ejemplo

la evapotranspiracion de las plantas, evaporacion de superficies liquidas,

infiltraciones profundas, transvase de la cuenca en estudio a otras cuencas, utilizacion

de agua en actividades antropicas, salida hacia el mar.

MODELO MATEMÁTICO DEL MODFLOW PARA EL USO EN ACUÍFEROS:

- MOD – FLOW

Es el software de modelamiento de agua subterránea que fue desarrollado por el

Servicio Geológico de Estados Unidos. Tuvo su aparición en 1984 y ha tenido un

constante desarrollo hasta la actualidad. Las capacidades de MODFLOW permiten

representar el flujo de agua subterránea y su interacción con los cuerpos de agua

superficial.

Page 24: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

23

CAPÍTULO III

MATERIAL Y METODOS

3.1 Materiales Utilizados

3.1.1 Para la Recolección de Muestras

Se tubo que solicitar informacion a la Autoridad Nacional del Agua y al Ministerio de

Agricultura referente a los estudio Hidrogeoloficos en la localidad de Cajamarca. La

informacion de la demanda de agua de uso poblacional, riego y otros usos en la region.

La etapa de modelamiento y simulacion del acuifero se realiozo con el empleo del software

Visual MODFLOW que usa las diferencias finitas para simular el flujo transitorio en tres

dimensiones en un medio heterogeno.

El modelo fue planteado de un alcance regional, por cuando a su recarga y diferentes

escenarios de explotación para la condiciones futuras.

3.1.2 Para el Procesamiento de Muestras

Este procedimiento será detallado a continuación en la que se describirá:

1. Análisis de la información hidrogeológica obtenida.

2. Se limita el área que será estudiada, antes visto en la carta cartográfica de la

localidad obtenido por INGEMMET.

3. Se selecciona el tipo de malla para la indicación del tipo de borde, potencialmente

expuestos, extracción por bombeo y zonas de recarga.

4. Con los datos obtenidos se procede a abrir el programa MODFLOW y colocar los

datos.

Page 25: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

24

5. Calibración del modelo, teniendo como parámetro la calibración los valores la

piezométria calculada y la observada en el acuífero.

6. Simulación del modelo para las diversas hipótesis de explotación y recarga.

3.2 TÉCNICAS, PROCEDIMIENTOS E INSTRUMENTOS

- Construcción del modelo de flujo:

Se describe a continuación los pasos generales para construir el modelo de flujo de

aguas subterráneas del acuífero, basado en los datos que serán recopilados, la

construcción de este modelo , su calibración y validación posterior permitió analizar y

evaluar el comportamiento del acuífero en diversos escenarios e hipótesis de

explotación y recarga.

- Calibración del modelo:

Para la ejecución del modelo son necesarias las condiciones iniciales, que en el

presente caso son los niveles estáticos de la napa freática del acuífero. Estos datos

serán importantes desde el visual MODFLOW y pre condicionan el método de

solución para obtener una convergencia más eficiente de la ecuación del flujo

subterráneo. Después de esto teníamos que elegir el método de interpolación para la

solución de la ecuación matricial. El Visual MODFLOW permite elegir de cuatro

métodos: la conjugada de gradiente pre condicionado, procedimiento fuertemente

implícito.

El modelo se calculó en estado permanente y fue calibrado usando los mismo niveles

estáticos de 1998, como condición inicial.

Page 26: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

25

3.2.1 Recolección de datos

- Características geométricas y litológicas del acuífero

En ello se puede analizar y observar lo que rodea al acuífero para poder considerar

así las diferentes capaz y con eso condicionar el modelo y obtener predicciones lo

más posibles

- Napa Freática

Este dato es muy importante para poder colocarlo como una condición en el

modelo de MODFLOW.

3.2.2 Zona de Influencia

Mapa de ubicación de la zona de estudio

Este dato nos pude brindar datos como el tipo de suelo que predomina, las cuencas

y los posibles acuíferos que está rodeado; como también la temperatura y características

físicas del área de estudio.

3.2.3 Recolección de Muestras.

Para este proyecto realizamos una simulación de un acuífero dando nosotros

mismo las condiciones de borde, Modelamiento de Lente de baja Conductividad y Interpolación

Page 27: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

26

de Objetos y Geométricas Referenciadas y parámetros con el fin de obtener un Modelo de Estado

Transitorio.

Desarrollo:

1. Modelo de 15 columnas por 10 filas. Celdas regulares de 1m.

2. 3 capas con Kx=ky=Kz= 2e-4 m/s

3. 1 lente de limo arcilloso de Kx=Ky=Kz= 1E-7 m/s – Capa 2, columnas 7,8,9,10

X sub 0 = 100

Y sub 0 = 100

Z sub 0 = 34

4. GEOMETRIA MODELTOP INTERPOLADA.

Vértices, Infder: 24, InfIzq = SuperDer = 30, SuperIzq = 34

AcuiferoSuperior_Botton = ModelTop-2

AcuiferoMedio_Botton = ModelTop-5

AcuiferoInferior_Botton = 18

5. STRESS PERIODS

1er periodo: Estatico de -1 a 0s, 1 time step.

2do periodo: Bombeo de 3 meses: 0 a 7776000, 3 time step.

3er periodo: Flujo regional hasta completar el año : 7776000 a 31536000, 3 times step

Page 28: Modelación  MODFLOW T3 Mecánica de Fluidos

27

6. Evapotranspiracion de 1200mm/año = 3.8E-8 m/s, Evapotranspiracion Surface

Mofel_Top

Dos primeras capas convertible, capa inferior confinada

InitialHead= ModelTop

CHD Oeste = ModelTop -1.5, en las primeras dos capaz, Esq Superior +2

CHD Este = ModelTop – 0.5, en la primera capa, desde la fila 6.

WELL, pozo en columna 4 fila 5, segunda capa, bombeando 3 meses a 0.002 m3/s

7. Solucionador MODFLOW NWT, sino se secan los pozos.

8. MODPATH 6 Pathlines luego timeseries. Pathlines Stop at Termitation

9. Objeto: Origen Perticulas en todas las capas luego del CHD Oeste.

10. Se abre el programa MODEL VIEWER y se abre el archivo cambiado de MODFLOW

NWT a MODFLOW ya que el archivo en 3D solo se encuentra del año 2005 mientras

que el MODFLOW NWT es del año 2010.

Se coloca los colores antes de separarlo.

Se coloca los vectores para analizar la velocidad y dirección del agua.

Se coloca las celdas correspondientes para conocer que celda trabaja desde su centro.

Se coloca los números 24 al 32 para poder ver las separaciones de las uperficies

respecto a la profundidad.

Se coloca las escalas correspondientes a los vectores.

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Se coloca las separaciones de cada superficie en 1m.

11. Por ultimo analizar los datos.

3.3 PROCESAMIENTO

PROGRAMA MODFLOW:

MODFLOW es el software de modelamiento de agua subterránea desarrollado por el Servicio

Geológico de Estados Unidos. Tuvo su aparición en 1984 y ha tenido un constante desarrollo

hasta la actualidad. Las capacidades de MODFLOW permiten representar el flujo regional o

local de agua subterránea y su interacción con los cuerpos de agua superficial.

Este programa se basa en las diferenciales infinitas dado su discretización en celdas

rectangulares, el control volumétrico de lo que entra y lo que sale es bien exacto y no es un

problema en la simulación. Este control también se cumple en condiciones que varían con el

tiempo, teniendo un control exacto del agua proveniente de almacenamiento.

PASO INICIAL

Modelamiento Dinámico

1). Iniciamos el modelamiento ingresando el número de columnas, filas, capas y el punto

de origen. Para mejor manejo en el proceso del modelamiento, editaremos los nombres de las

capas. Luego de desarrollar estos pasos obtendremos el modelo sobre el cual trabajaremos.

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2). Damos paso a la insertar las condiciones de borde del modelo, para eso activamos las

opciones CHD, EVT y WEL. Hacemos una interpolación de nuestra superficie con el objetivo

de insertar objetos sobre ella, haciendo la introducción de 1 objeto por cada esquina de nuestro

modelo y así podremos definir la topografía de la antes mencionada.

3). Se definen las condiciones de borde dentro de la capa de la superficie, siendo el

acuífero dependiente de estas condiciones paras su recarga, descarga o evapotranspiración.

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4). La Capa de Evapotranspiración (área de color verde) como se ve en el modelo se

encuentra en la parte superior, pero toda la superficie con una mínima profundidad.

5). Ya podemos ver los efectos de las condiciones de borde y del pozo, de las que definirá

la trayectoria de las partículas.

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6). Observamos la proyección de los movimientos en los cuerpos de agua en el modelo que van a

depender de las partículas que se insertaron.

8). Vista A,de las corrientes de agua, los objetos verdes (pozo y cuerpo arcilloso) van a modificar

el recorrido logrando que las partículas tengan que bordearlos alterando su recorrido.

9). Vista B

PASO FINAL

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Una vez diseñado el modelo de partículas en movimiento, explicado anteriormente se procede a

instalar el software de Model Viewer en la cual nos mostrara en que forma ingresa el agua, como

son los vectores de movimiento y las diferentes capas.

1. Cuando queremos ver las isolineas de la figura creada, que en realidad son superficies de

líneas equipotenciales ya que en diferente lugar posee diferentes cargas hidráulicas.

2. En esta aplicación se separa para cada capa de la superficie en 1 metro o en la cantidad

que nosotros deseamos.

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3. Donde hay mayor gradiente es donde ingresa el agua, en concepto sabes que el flujo

depende tanto de la velocidad como el área; para poder observar por donde va el flujo que

es desde la parte superior hasta la parte inferior.

4. Se puede observar que en cada celda se encuentra la velocidad tanto como la dirección

del agua y el área de estudio.

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5. Para poder observar el modelo ya creado anteriormente, se necesitó recrear en los lados

de nuestra área de estudio cierto grosor y las condiciones del pozo.

6. Por último se puede observar en diferentes ángulos y en diferentes puntos de eje que uno

desea como también reducir la superficie, quitando los vectores que rellenan mucho la

imagen.

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CAPÍTULO IV

RESULTADOS

Los resultados obtenidos en el presente informe nos muestran las dimensiones y

proyecciones de la velocidad y dirección del fluido por el acuífero.

Nos muestran que la eficiencia del programa MODFLOW para el desarrollo de

modelamiento de acuíferos cuyas partículas pueden encontrarse de manera estática o

dinámica que en este proyecto se explicó.

CONCLUSIONES

El programa MODFLOW explicado durante el proyecto nos permite controlar, supervisar

el fluido entrante como saliente, pronosticar los datos recopilados con el fin de hacer

proyecciones a largo plazo en relación al recurso hídrico en un modelo dinámico como también

en estático. La relación del acuífero y el medio ambiente es de suma importancia ya que se puede

aprovechar como un recurso alternativo ya que el agua de los ríos se ve afectado por

contaminación antrópica.

RECOMENDACIONES

Realizar estudios Hidrológicos e Hidrogeológicos, como lo explicado en el informe se

puede obtener grandes pronósticos y prevenir fenómenos naturales o antrópicos.

Por ultimo profundizar en el estudio de diferentes Softwares con el fin de comparar

resultados y la desviación sea lo más mínimo y acertar con el pronóstico.

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FUENTES DE REFERENCIA

Bautista, J.M. (2013). Modelo de Flujo del Sistema Acuífero de La Cuenca Alto (Tesis de

Maestría). Instituto Politécnico Nacional. Oaxaca.

Laurencena P., Deluchi M., Adolfo R., Kruse E. (2010). Influencia de la Explotación de Aguas

Subterráneas en un Sector del Área Periurbana de la Plata. Pág. 484 – 489.

Auge, M.P. (1997). Piezometría de los acuíferos Pampeano y Puelche en Poblet, La Plata

Argentina. Primer Congreso Nacional de Hidrogeología, Actas: 145-152, Bahía Blanca.

Saul, M. (2012). Curso Online de MODFLOW con MODEL MUSE. Recuperado de

http://gidahatari.com/cu-es/curso-de-modflow-con-model-muse

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ANEXOS

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