Monthly Archives: noviembre 2016

Datos de Caudales de extracción en el área del acuífero Patiño

A partir del inventario de pozos realizado, se extrajeron los valores de Caudales de extracción (Q). En total fueron filtrados 831 datos de pozos con valores caudales (m3/h) y sus respectivas coordenadas.

En el mapa de la Figura 1 se observan las ubicaciones de los 831 pozos en el área del acuífero Patiño. Los valores visualizado de Q presentan una distribución asimétrica positiva; la media es 18,75 y desviación típica es 15,959 (Ver Fig. 2).

Los pozos con sus respectivas coordenadas geográficas (x, y)  y caudales de extracción (m3/h), fueron filtrados en una hoja de cálculo para su descarga y visualización:  descargar los datos.

Pozos de extracción con valores de Caudales (m3/h)

Figura 1. Pozos de extracción con valores de Caudales (m3/h)

 

Figura 2. Histograma de los valores de Q

Figura 2. Histograma de los valores de Q.

 

Referencias

CKC-JNS, SENASA. “Estudio de  Políticas y Manejo Ambiental de Aguas Subterráneas en el Área Metropolitana de Asunción – Acuífero Patiño, Informe técnico 2.3: Inventario de Pozos”. 2007.

CKC-JNS, SENASA. “Estudio de  Políticas y Manejo Ambiental de Aguas Subterráneas en el Área Metropolitana de Asunción – Acuífero Patiño, Informe técnico 2.8: Ensayos de Bombeo”. 2007.

Ente Regulador de Servicios Sanitarios (ERSSAN). Datos de pozos de extracción, tabla «Componentes».

Modelamiento del Acuífero Patiño utilizando PMWIN. Asignación de condiciones de extracción por bombeo y de recarga, para simulación en estado transitorio en el escenario 1

Para realizar simulaciones en estado transitorio, deben establecerse tanto los parámetros requeridos por PMWIN como los datos de entrada para cada paquete de MODFLOW que será considerado. En entradas previas, correspondientes al desarrollo del modelo en estado transitorio, se consignaron los parámetros introducidos en PMWIN para la simulación en estado transitorio (Datos de entrada, selección de parámetros, y resultados preliminares).

Un conjunto de condiciones asumidas para la simulación es llamado escenario. En el Escenario 1 para la simulación en estado transitorio, los parámetros de entrada para PMWIN fueron los siguientes:

  • Tiempo: se simularon 21 años (stress periods de duración de 1 año, divididos en 12 time steps cada uno). Suponiendo que la simulación se inicia en el año 2013 (cuyas cargas hidráulicas y tasas de recarga fueron calibradas en el estado estacionario), esta simulación llega hasta el año 2034.
  • Carga hidráulica inicial: para el estado transitorio, la carga hidráulica inicial es el punto de partida para las simulaciones, y por tanto influye en los resultados. Se utilizó como carga hidráulica inicial para el estado transitorio, la carga hidráulica obtenida luego de la simulación en estado estacionario para el año 2013 (Harbaugh, 2005).
  • Almacenamiento: el parámetro Specific Yield es necesario para realizar la simulación en estado transitorio, considerando al acuífero como no confinado. El valor seleccionado inicialmente para dicho parámetro fue 0.27 (Anderson and Woessner, 2015), correspondiente al tipo de suelo predominante, identificado en estudios previos como formaciones sedimentarias, principalmente areniscas (Labaky, 2007). Dicho valor fue considerado constante para todo el dominio del acuífero.

Como ya fue mencionado anteriormente, los paquetes para definir tasas y ubicación de pozos de extracción (Wells) y tasas de recarga (Recharge) de MODFLOW, admiten variaciones para cada año de simulación (stress period), en el modelo en estado transitorio.

  • Tasa de extracción en pozos (paquete MODFLOWWells): iniciando con las tasas de extracción del estado estacionario, asumidas para el año 2013, se aplicó un aumento del 5% por cada año de simulación (en nuestro caso, cada stress period) a las tasas de extracción; en investigaciones previas realizadas en el área del acuífero, se estimó un aumento anual de las tasas de extracción de 4.5% (Báez y Monte, 2007). Para el escenario 1, la tasa de extracción varió desde el 100% de la tasa correspondiente al estado estacionario, hasta el 200% de dicha tasa para el año 21.

Es importante mencionar que en el área del acuífero Patiño se estima que existen alrededor de 4000 perforaciones (CKC-JNS y SENASA, 2007). Con base en datos de distintas fuentes, se realizó un inventario de pozos profundos y piezómetros en el área (Inventario de pozos del Acuífero Patiño), obteniéndose un total de 3638 pozos profundos y 97 piezómetros.

En el escenario 1 del modelo transitorio se consideraron 513 pozos de extracción, para los cuales de contaba con los datos de caudal de bombeo y ubicación (los datos de caudal de bombeo eran desconocidos para los demás pozos). Estos mismos pozos fueron considerados para el modelo en estado estacionario, y el aumento de la tasa de extracción se calculó sobre las tasas de bombeo correspondientes al estado estacionario. Las tasas de extracción correspondiente a los pozos incluidos en el modelo se encuentran asignadas a 391 celdas, porque en muchas de estas celdas se ubican varios pozos.

En la figura 1 se observa la ubicación de las celdas a las que se asignaron las tasas de extracción, tanto para la simulación en estado estacionario como para el estado transitorio; se presenta además la distribución de los pozos de extracción obtenida a partir del inventario de pozos. En la figura 2 se presentan las tasas de extracción por bombeo, localizadas en las celdas correspondientes del modelo.

fig-1-localizacion-pozos-modelo

Figura 1a: ubicación de celdas asignadas como pozos de extracción en el paquete Well de MODFLOW.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1b: distribución de pozos de extracción obtenida a partir del inventario de pozos

Figura 1b: distribución de pozos de extracción obtenida a partir del inventario de pozos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Tasas de extracción por bombeo asignadas a celdas del modelo

Figura 2. Tasas de extracción por bombeo asignadas a celdas del modelo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  • Tasas de recarga (paquete MODFLOWRecharge): para la simulación en estado transitorio en el Escenario 1, se varió linealmente la tasa de recarga desde el 100% de la recarga calibrada en estado estacionario (para el año 1), hasta el 25% de dicha recarga (para el año 21).

Las tasas de recarga correspondientes a cada zona fueron calibradas para el modelo en estado estacionario, obteniéndose un buen ajuste para los niveles estáticos en los pozos de observación para el año 2013 luego de la calibración. Estas tasas de recarga fueron utilizadas como punto de partida para la variación de las tasas de recarga a través del tiempo en la simulación en estado transitorio. En la figura 3 se muestran las tasas de recarga para cada zona, antes y después de la calibración.

fig-3a-tasas-de-recarga-pre-calibracionfig-3b-tasas-de-recarga-post-calibracion

 

 

 

 

 

 

 

Figura 3. Izquierda: tasas de recarga por zonas, antes de la calibración en estado estacionario. Derecha: tasas de recarga por zonas, luego de la calibración en estado estacionario, mejorando el ajuste para los datos de nivel estático del año 2013

Finalmente, debe notarse que la calibración en estado estacionario implica asumir un equilibrio entre las entradas y salidas del modelo, bajo las condiciones de recarga y extracción por bombeo mencionadas.

Como no se cuenta con datos de nivel estático para condiciones previas a la extracción por bombeo, se toma el año 2013 como situación de equilibrio del sistema y como punto de partida para las simulaciones en estado transitorio. Esto podría implicar que las tasas de recarga obtenidas en la calibración sean mayores a las tasas de recarga reales para el año 2013, y por tanto las condiciones iniciales de recarga asumidas para la simulación en estado transitorio podrían ser más favorables que en la realidad.

En cuanto a las tasas de extracción por bombeo, existe la posibilidad de que la cantidad real de pozos de extracción y sus caudales de bombeo correspondientes al año 2013 se encuentren por encima de los valores sobre los que se tiene información, y que fueron los incluidos en el modelo en estado estacionario.

Referencias

Anderson, M. P.; Woessner, W. W. Hunt, R. J. (2015). Applied Groundwater Modeling – Simulation of Flow and Advective Transport (2nd Edition). Elsevier.

CKC-JNS, SENASA. (2007). Estudio de Políticas y Manejo Ambiental de Aguas Subterráneas en el Área Metropolitana de Asunción – Acuífero Patiño, Informe técnico 2.3: Inventario de Pozos.

Harbaugh, A.W. (2005). MODFLOW-2005, The U.S. Geological Survey modular ground-water model—the Ground-Water Flow Process: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-A16.

Labaky, W. (2007). Estudio de Políticas y Manejo Ambiental de Aguas Subterráneas en el Área Metropolitana de Asunción (Acuífero Patiño). Informe técnico 2.12, Simulación matemática.

Monte, R. y Báez, J. (2007). Estudio de Políticas y Manejo Ambiental de Aguas Subterráneas en el Área Metropolitana de Asunción (Acuífero Patiño). Informe técnico 2.11, Balance hídrico del Acuífero Patiño.

 

Modelamiento del Acuífero Patiño utilizando PMWIN. Simulación de la interacción entre ríos y arroyos y el sistema de agua subterránea.

Dependiendo del gradiente en la carga hidráulica entre el río y el régimen de agua subterránea, los ríos y corrientes pueden contribuir o drenar agua del sistema de aguas subterráneas (Harbaugh, 2005). En la figura 1 puede verse la sección transversal de un acuífero que contiene un río, y la representación del modelo conceptual correspondiente para la simulación.

Existen distintas formas de simular los efectos del flujo entre aguas superficiales y el sistema de agua subterránea, en el modelo numérico en PMWIN. A continuación, se presentan las dos formas que fueron consideradas para ser aplicadas en el modelo numérico del Acuífero Patiño, el paquete “ríos” (river package) y la representación como condición de borde de carga hidráulica constante (constant head).

rivers-modflow

Fig. 1 A) Sección transversal de un acuífero conteniendo un río; B) representación conceptual de la interconexión entre río y acuífero para la simulación. Fuente: McDonald and Harbaugh 1988, citado por Harbaugh 2002.

River package de MODFLOW

Para poder simular los efectos de los ríos en el flujo hidrológico del acuífero, términos que representen la percolación hacia o desde las aguas superficiales deben agregarse a la ecuación de flujo de agua subterránea, para cada celda afectada por esta percolación (Harbaugh, 2005).

El paquete river no simula el flujo de agua superficial en el río, sino solamente la percolación entre el río y el acuífero. Este paquete requiere, además de datos de carga hidráulica en el río (h) (único dato requerido para constant head):

  • datos de elevación del lecho del río (RBOT), y
  • valor de conductancia del lecho del río (CRIV).

Este paquete simula que el flujo es nulo cuando la carga hidráulica en la celda (h) es igual al nivel de agua en el río (HRIV). Para valores de h mayores que HRIV, el flujo es entrante al río, y se representa como un flujo negativo al acuífero. Para valores de h menores que HRIV, el flujo es positivo y entrante el acuífero (Harbaugh, 2005).

rivers-eq-modflow

El valor de conductancia del lecho del río puede estimarse, y generalmente necesita ajustarse luego durante la calibración del modelo.

Constant head (condición de borde de carga hidráulica constante)

En las simulaciones iniciales, tanto en estado estacionario como en estado transitorio, los ríos y arroyos del dominio del modelo fueron representados por medio de celdas de carga hidráulica constante. Esto implica que la carga hidráulica inicial seleccionada en los ríos no cambia durante la simulación. Esta condición implica, además, que los ríos pueden entregar (o extraer) cualquier cantidad de agua al sistema de agua subterránea, siempre que se mantenga constante dicha carga hidráulica.

Discusión

Se realizaron simulaciones en estado estacionario con ambas suposiciones:

  1. a) ríos y arroyos considerados con carga hidráulica constante (constant head) dentro de las condiciones de borde, siendo dicha carga hidráulica igual a la inicial, considerada para la simulación en estado estacionario como igual a la topografía o superficie de tope del acuífero;
  2. b) ríos y arroyos considerados en el paquete river, tomando la conductancia de todos los ríos igual a un valor medio obtenido con base en estudios previos (Labaky, 2007), considerando la carga hidráulica inicial igual a la topografía del acuífero (que sería igual a las cargas hidráulicas utilizadas en el caso a) como constant head), y tomando el lecho de río a una distancia fija por debajo de la topografía;
  3. c) ríos y arroyos considerados en el paquete river, tomando la conductancia de todos los ríos igual al valor de conductancia calibrado con PEST para el caso anterior; carga hidráulica inicial igual al mapa TOP del acuífero, y considerando el lecho de río a una distancia fija por debajo de la topografía.

Si bien para la elevación del lecho de los ríos se realizó una estimación, el valor de la discrepancia en porcentaje (que calcula PMWIN para evaluar la resolución de las ecuaciones de flujo) en los casos en que se usó el paquete river fue solamente un poco mayor que para el caso con constant head. En la tabla 1 se presentan los resultados obtenidos por medio de la función de balance hídrico de PMWIN.

tabla-1-entrada-05

Tabla 1. Comparación entre resultados de balance hídrico arrojados por PMWIN

Analizando el balance hídrico obtenido en PMWIN para estos casos, las tasas de entrada y de salida de agua a los ríos y arroyos en todo el dominio, no fueron muy diferentes representando las aguas superficiales de una u otra forma (las diferencias son menores al 4%).

Finalmente, las cargas hidráulicas finales obtenidas luego de la simulación en estado estacionario, en los casos b y c, presentaron escasa variación respecto a la simulación en estado estacionario en el caso a (representando los ríos como constant head). Además, el ajuste entre las cargas hidráulicas simuladas y medidas en los pozos de observación, no presenta variación entre la simulación realizada utilizando el paquete river respecto a la realizada representando los ríos como constant head, con las suposiciones descriptas anteriormente.

 Referencias

Harbaugh, A.W. (2005). MODFLOW-2005, The U.S. Geological Survey modular ground-water model—the Ground-Water Flow Process: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-A16.

Labaky, W. (2007). Estudio de Políticas y Manejo Ambiental de Aguas Subterráneas en el Área Metropolitana de Asunción (Acuífero Patiño). Informe técnico 2.12, Simulación matemática.