Modelación de la interacción RíoAcuífero.
Cálculo del caudal intercambiado
Jesús Carrera
Grupo de Hidrología Subterránea
I JAlmera (IDAEA)
CSIC
Barcelona
Felix qui potuit rerum
cognoscere causas.
(Virgilio)
1
Índice
• Dinámica generalizada de la interacción RíoAcuífero
– ¿Por y para qué todo esto?
– Formas de interacción
– Principios básicos
• Medidas directas
– Separación de hidrogramas
– Infiltrómetros
• Cálculos indirectos
– Hidráulicos
– Hidroquímicos
• Discusión y conclusiones
2
¿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 acuífero
Dinámica de la interacción
3
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!
Dinámica de la interacción
4
Formas de interacción Río-Acuífero
1) Río ganador
Bosque de ribera
floreciente
hacuífero> hrío
Condiciones naturales habituales
Vista en planta
Isopiezas
q variable
hacuífero
hrío
Zona hiporreica
Sensible a avenidas
hacuífero
Importancia ecológica
Dinámica de la interacción
5
Formas de interacción Río-Acuífero
2) Río perdedor, pero conectado
Bosque de ribera
estresado
hacuífero< hrío
Condiciones influidas por bombeo
Vista en planta
Isopiezas
q variable
hrío
Zonahhiporreica
acuífero
Se colmata más
Más sensible a
avenidas
hacuífero
Dinámica de la interacción
6
Formas de interacción Río-Acuífero
3) Río perdedor, pero desconectado (colgado)
hacuífero<< hrío típicamente hacuífero< hrío – 2 ancho
Condiciones influidas por bombeo intenso
Vista en planta
Bosque de ribera
extinguido
Isopiezas
q poco sensible a
traza del río
Contenido
de agua
hrío
q controlado por
lecho, se
concentra en
avenidas
hacuífero
Dinámica de la interacción
7
Caudal en función del nivel
Q (+, entrada al acf)
1) Forma convencional
2) Colmatación del lecho
3) Avenidas
Qmax
hrío
hacuífero
a, coef
goteo
Q (-, salida del acf)
Dinámica de la interacción
8
Variabilidad a lo largo de la traza
z
En ríos conectados, muy
sensible a variaciones de
pendiente
Sección Longitudinal
Planta
x
En ríos ganadores
hay tramos
perdedores
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
Dinámica de la interacción
9
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
10
Métodos directos: Balance de agua en río
Caso más sencillo: Análisis de hidrograma.
Separación de componentes.
QRIO
t
Caudal base. Aportación subterránea
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 11
Métodos directos: Infiltrómetro
Caja
Bolsa
Purga
Interfaz
agua-sedimento
Sedimento
(Vazquez-Suñé et al, 2003)
12
13
El infiltrómetro, como tantas cosas en hidrología,
requiere mojarse
14
Alta variabilidad espacial y temporal
infiltración altura parking
1400
1200
1000
infiltración pont Alfons el Magnànim
Recarga
m3/año
20
15
10
Descarga
m3/any
5
800
600
400
0
200
-5
0
10:00
-10
-15
14:24:00
14:52:48
15:21:36
15:50:24
12:24
13:36
16:19:12
infiltració desembocadura
-60
-80
Descarga
-100
m3/any
-20
13:55:12
11:12
-120
-140
-160
-180
12:28:48
12:43:12
12:57:36
13:12:00
13:26:24
15
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
16
Métodos indirectos hidráulicos: idea básica
Flujo en el
acuífero
Balance de masas en
el acuífero
h
q  T  h
h
t
q S
h
t
PROBLEMA: Conocer T y S
17
Cálculo de T y S
h
1) Ensayos hidráulicos
t
2) Medida de respuesta a
variación de nivel en río
h
3) Medida en río
desconectado
 hR
h
 h   hR f(tD )
2
tD  D t / L
Conocido  h , se estima
D (T/S)
OJO geometría
 h  (q / T )f(tD )
2
tD  D t / L
Conocido  h y S(o T),
se estima D
18
Arizona Versus California
Cuestión: Estimar el caudal de
retorno al Río Colorado
procedente de los dos Estados
Secciones de control
Sondeos con sensores a tres alturas
Medio complejo: modelo numérico
CALIFORNIA
ARIZONA
Una vez calibrado el modelo se
puede obtener el caudal de
cada estado aplicando Darcy
19
Niveles medidos y calculados
Buen ajuste, sugiere
buen modelo
Cerca 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
20
Dificultades con interpretación clásica
¿Qué pasa si hay
paleocauces muy
permeables?
Pueden llevar mas
agua que todo el
resto
21
Río Agrio
Vigo
Barrera reactiva
intercepta todo el
flujo del subálveo
22
Geología tras construir la barrera
¿Paleocanal sortea la barrera?
Ensayo de inundación y tres
series de ensayos hidráulicos
(Roetting et al, 2005)
23
Niveles medidos y calculados
A-1bis
100 m
S-7
S-6
S-4
S-26
S-2
S-27
S-23
S-5
S-24
T2
S-3
S-25
S-28
Head variation (m)
S-1
S-11
0.6
S-12
T0
0.4
0.2
C-8
0.0
0
T2
1
2
3
Time (days)
T1
4
T1
24
Ajuste ensayos
de bombeo
25
Transmisividades estimadas
log10T (m2/day)
- 4.0
- 3.0
- 2.0
- 1.0
- 0.0
- -1.0
- -2.0
Paleo canal no sortea la barrera
200 m
Coherente con piezometría y con
hidroquímica
26
40
1050
30
900
20
750
10
600
0
450
-10
300
-20
150
66
71
76
81
86
AÑO
91
96
01
CAUDAL (M3/s)
NIVEL (msnm)
El Bajo Llobregat, nivel y caudal en río
0
27
Modelo numérico detallado
PROGRAMA DE GESTIÓ DELS AQÜÍFERS DE
LA CUBETA DE SANT ANDREU, VALL BAIXA
I DELTA DEL LLOBREGAT.
Model Numèric
DISCRETITZACIÓ
ESPAIAL
DEL DOMINI
Llegenda
Capa 1
(AQ. SUPERFICIAL)
Capa 2
(AQ. PRINCIPAL)
Escala gráfica
0
500 1000
28
Balance global
50% de la
recarga directa
del río.
35% durante
avenidas
29
Métodos hidroquímicos. Balance
Q 2 C2
Q 1 C1
(Q1  Q 2 )Cm
Conocidos Q1, y C’s, se
puede obtener Q2 como:
Q2  Q1
C m  C1
C2  C m
Dificultades:
1) Encontrar trazador
natural tal que C1>>C2
(para que Cm>>C1 y C2>>Cm)
Cm 
Q 1 C1  Q 2 C 2
(Q 1  Q 2 )
Ejemplo:
Si C1=0, C2=100, Cm=20 y
Q1=4000, entonces:
Q2  Q1
C m  C1
C2  C m
Q2  4 0 0 0
20  0
10 0  2 0
 10 0 0
2) Conocer aguas extremo
30
Cálculos hidroquímicos con prop. de mezcla
(Q1  Q 2 )Cm
Q 2 C2
Q 1 C1
Mejor aún, si se conoce la
proporción de mezcla
1 
Q1
(Q 1  Q 2 )
Entonces,

Q1
QT
Q2  Q1
C2  C m

C2  C1
1  1
1
Y, en general, si hay N aguas
Qi  QT  i
O, mejor:
Qi  Qk
Cm 
Q 1 C1  Q 2 C 2
(Q 1  Q 2 )
Ejemplo:
Si C1=0, C2=100, Cm=20 y
Q1=4000, entonces:
1 
10 0  2 0
10 0  0
Q2  4 0 0 0
 0, 8
1  0, 8
0, 8
 10 0 0
Q 2  5 0 0 0 x 0, 2  10 0 0
i
k
Q 2  4000
0, 2
0, 8
 1000
31
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)
32
Encontrar “buenas” proporciones de mezcla
… sin hacer trampas!
C2
Estimación independiente
de aguas extremo
complicado por variabilidad
temporal, espacial, etc
Aguas extremo supuestas
Muestras de agua
Aguas extremo corregidas
Se puede hacer con tantas
C1
especies (comp. conservativas)
como se quiera
33
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.
34
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.
35
36
Descargar

CUANTIFICACIÓN DE LA INFILTRACIÓN EN CAUCES.