MÉTODOS PARA DETERMINAR LA RECARGA EN ACUÍFEROS

Importancia de la recarga

La cantidad de agua subterránea almacenada en las formaciones geológicas y la facilidad con la cual puede extraerse depende de dos factores físicos: la porosidad y la permeabilidad.

El agua subterránea es la mayor fuente de agua dulce disponible.

Tiene excelente calidad natural, es libre de patógenos, color y turbiedad, y puede consumirse sin tratamiento (o con un tratamiento sencillo).

Está ampliamente distribuida y permite desarrollar sistemas de abastecimiento en lugares muy próximos a los sitios donde se presenten las necesidades, evitando la construcción de grandes sistemas de distribución.

Es la entrada de agua dentro de la zona saturada donde comienza a hacer parte de las reservas subterráneas. Esta entrada puede darse de dos maneras:

Por un movimiento descendente del agua debido a las fuerzas de gravedad.

Luego de presentarse un movimiento horizontal del flujo debido a las diferentes condiciones hidráulicas de las capas que constituyen el perfil del suelo.

La estimación de la recarga de los acuíferos, es importante ya que es necesario determinar la cantidad de agua que llega a ellos, su calidad, procedencia y las zonas donde se presenta recarga o descarga del flujo subterráneo.

Tipos de recarga

1. Recarga directa o recarga difusa, proveniente del agua lluvia.

2. Recarga concentrada o indirecta, producto de cauces permanentes, estacionales y efímeros.

3. Flujos laterales, procedentes de otros acuíferos.

4. Retorno de riegos, excesos de riegos o las pérdidas en los canales de distribución.

5. Recarga Urbana, producto de fugas de redes de abastecimiento y redes de alcantarillado.

Procesos involucrados en la recarga

Zona Saturada: Esta compuesta de tres subzonas:

Subzona sometida a evaporación: comprendida entre la superficie del terreno y los extremos de las raíces de la vegetación. Puede tener espesor muy pequeño cuando no hay vegetación, o alcanzar grandes profundidades cuando la vegetación es abundante.

Subzona intermedia: sus características son totalmente similares a la zona anterior y está situada debajo de ella.

Subzona capilar: es la región de transición a la zona saturada y su parte inferior está también saturada.

Zona no Saturada: Esta compuesta de dos subzonas:

Zona radicular o suelo edáfico donde se da la infiltración del agua lluvia, la evaporación y la transpiración.

Zona vadosa: Tiene espesor variable y pueden existir en ella acuíferos colgados los cuales pueden ocasionar flujo horizontal; el flujo descendente que sale de ella es igual a la recarga al acuífero.

1. De la superficie de la tierra: topografía; precipitación, donde importa la magnitud, intensidad, duración, y distribución espacial de las lluvias; escorrentía; patrón de cosechas y la evapotranspiración real.

2. Irrigación: horario de irrigación; pérdidas que se presenten en canales y cursos de agua; y cantidad irrigada necesaria para la preparación de la tierra.

3. Ríos: cantidad de ríos y el caudal que fluye por los ríos que fluyen dentro del área de estudio, los que salen del área de estudio y los que ganan o pierden agua del acuífero.

4. Zona superior del suelo: naturaleza del suelo, profundidad y propiedades hidráulicas; variaciones de las características del suelo según la extensión lateral y la profundidad; profundidad de la zona de raíces; y capacidad que tiene el suelo de agrietarse al secarse o de hincharse luego de humedecerse.

5. Zona no saturada entre el suelo y el acuífero: mecanismos de flujo a través de la zona no saturada, zonas con diferentes conductividades hidráulicas, etc).

6. Acuífero: características físicas e hidráulicas del acuífero (habilidad del acuífero para aceptar el agua, variación de las condiciones del acuífero con el tiempo, y tipo de acuífero).

Generalidades de la recarga

El conocimiento de estas sirve para realizar un manejo sostenible de los sistemas acuífero y para determinar zonas de depósitos radioactivos (zonas bajas de recarga), zonas de descarga de desechos (áreas de descarga), o para definir zonas vulnerables a la contaminación (áreas de recarga en lugares de altitud elevada).

Variabilidad espacial

Las propiedades del suelo y del acuífero incluyendo el proceso de recarga varían de un lugar a otro lateral y verticalmente. La variabilidad espacial de las propiedades de los acuíferos y acuitardos es siempre muy elevada, aún aquellos que se consideran más homogéneos.

Variabilidad temporal: Se definen cuatro tipos de recarga según el tiempo:

Recarga a corto plazo: Ocurre ocasionalmente luego de una fuerte lluvia, se da principalmente en regiones donde no hay estaciones húmedas y secas muy marcadas.

Recarga estacional: Ocurre regularmente, por ejemplo durante el período húmedo en regiones húmedas y secas.

Recarga perenne: Ocurre en ciertos lugares del trópico húmedo donde el flujo de agua descendente es casi permanente y puede ocurrir una recarga continua.

Recarga histórica: Está relacionada con lo que se conoce como tiempo de residencia, definido como el tiempo que permanece un volumen determinado de agua en las reservas subterráneas desde que se convirtió en recarga hasta que vuelve a hacer parte del ciclo hidrológico activo.

Lerner (1990): Plantea un procedimiento general para determinar la recarga el cual consiste en una serie de preguntas:

1. Cuánta recarga puede aceptar el acuífero? 2. Cuánta agua puede transmitir la zona no saturada? 3. Qué otro destino hay para la recarga potencial y cuan lejos está? 4. Cuánto potencial de recarga hay?
5. Cuánta es la recarga real? 6. Cómo se puede comparar con otra estimación?

Custodio (1997): Propone una serie de pasos para estimar la recarga, presentándolos de una manera simplificada:

Evaluación: es la obtención de valores medios. En general para esta evaluación se utilizan fórmulas y modelos que generan grandes incertidumbres.

Observación y medida: la observación de la recarga requiere tiempo, el cual debe ser suficiente para caracterizar las diferentes variables hidrológicas, la medición incluye tomar medidas de variables relacionadas con la recarga.

Calibración: con este procedimiento se ajustan las observaciones disponibles con los parámetros de los métodos de evaluación.

Validación: la validación indica que en las circunstancias observadas el método produce errores razonables.

Se identifican 4 tipos de error:

Modelo Conceptual incorrecto: es el error más común y más serio que se puede cometer, se presenta cuando no se comprendió por completo el proceso de recarga o cuando se realizan demasiadas simplificaciones en las hipótesis del estudio.

No tomar en cuenta la Variabilidad espacial y temporal

Error de medición: depende del equipo usado y de las habilidades de quien está encargado de tomarlas. Es el tipo de error que generalmente se considera.

Error de cálculo: puede evitarse si se verifican cuidadosamente las unidades y la exactitud del programa que se está utilizando.

La tasa de recarga es limitada por la habilidad del acuífero para almacenar agua.

La recarga por precipitación es dominante.

El proceso de recarga es más o menos continuo.

La recarga se da en las partes altas del terreno.

Los niveles freáticos permanecen cerca de la superficie, por lo tanto la zona no saturada es de poco espesor.

Los cuerpos superficiales de agua constituyen áreas de descarga.

La tasa de recarga es limitada por la disponibilidad de agua en la superficie.

La recarga localizada es dominante.

El proceso de recarga es intermitente.

La recarga se localiza en las partes bajas del terreno.

Los niveles freáticos son profundos, por lo tanto la zona no saturada es de gran espesor.

Los cuerpos superficiales de agua constituyen áreas de recarga.

Topic principal

Clasificación de los métodos para estimar la recarga

Medidas directas (Lisímetros)

Descripción

El único método que se puede aplicar en la práctica de medidas directas del flujo de recarga es el lisímetro, en el cual los diferentes componentes del balance de agua se miden con exactitud.

Los lisímetros son tanques o bloques, instrumentados llenos de suelo alterado o inalterado, con o sin vegetación donde el flujo que circula a través de él puede ser medido; el bloque de suelo es aislado hidrológicamente del suelo que lo rodea, pero es una muestra representativa porque tiene la misma vegetación y está expuesto al mismo clima.

Medidores de infiltración: Miden la recarga en canales de riego y ríos.

Este método consiste en una “campana de filtración” o cilindro el cual es introducido dentro del sedimento en la base de un canal; junto al cilindro está un tanque de agua, la tasa a la cual el agua dentro del cilindro se infiltra es determinada por cambios en el volumen del tanque. El cilindro es insertado mientras la manguera se deja abierta para permitir que escape el aire y el exceso de agua. La bolsa plástica permanece sujeta a la manguera y flota justo bajo la superficie.

Ventajas y desventajas:

El costo de la construcción de un lisímetro es alto y solamente dan medidas puntuales de la recarga, además, por necesitarse un monitoreo en un intervalo grande de tiempo los costos aumentan más.

Es más fácil y menos costoso usar un lisímetro para detectar los contaminantes potenciales antes de que ellos alcancen los recursos que se desean proteger.

Los lisímetros tienen la capacidad de superar el problema del flujo bajo, y si la profundidad es suficiente, las variaciones de año a año, pero los problemas de la variabilidad lateral, el costo y las modificaciones del régimen de humedad del suelo permanecen sin resolver.

Balance de Agua

Definición:

Para hacer el balance hídrico se aplica el principio de la conservación de masa a una cierta región de volumen conocido (volumen de control), definida por unas condiciones de frontera, durante un período de tiempo. La diferencia en las entradas y las salidas debe ser igual al cambio en el almacenamiento de agua.

Tipos de balance

Balance de humedad del suelo. En el cual la lluvia y la evapotranspiración potencial constituyen los datos de entrada al balance y la evapotranspiración real y la recarga son los datos de salida. Si se utilizan largos intervalos manteniendo los mismos parámetros se pueden presentar valores de recarga muy bajos o inclusive nulos.

Balance de ríos y canales de agua. Puede realizarse por dos métodos:

Medidas de caudal La manera más sencilla para estimar las pérdidas por transmisión a lo largo de un canal ya sea natural o de irrigación es mediante un balance de agua del flujo.

Encharcamiento La recarga se estima midiendo la disminución del nivel del agua luego de haber aislada una sección del canal. Cuando las pérdidas por evaporación y cualquier precipitación que entra han sido tenidas en cuenta, la caída neta en el nivel de agua se atribuye a la infiltración.

Aumento del Nivel Freático: El volumen almacenado producto de un aumento del nivel freático es igual a la recarga, luego de tener en cuenta otros flujos de entrada y salida como pozos de bombeo y flujo entre acuíferos.

Descarga de la cuenca: Descarga promedio = Recarga neta promedio + tasa de extracción Si el acuífero no es explotado, la tasa de extracción es cero, por lo tanto: Descarga promedio = Recarga neta promedio

Trazadores

Descripción:

Los trazadores son sustancias que se encuentran en el agua y se pueden detectar por medios visuales o analíticos y sirven para definir caminos preferenciales de flujo, identificar mecanismos responsables de generación de flujo, identificar fuentes de solutos y sistemas de contaminación, calcular el ciclo biológico de nutrientes dentro de un ecosistema, determinar fuentes de recarga.

Los trazadores pueden utilizarse para determinar las fuentes que originan la recarga, donde hacen el papel de señalizadores, o para determinar la cantidad de flujo que alcanza las reservas subterráneas. La técnica de señalizadores consiste en inyectar un trazador y luego rastrearlo en un área determinada

Principales trazadores:

Técnicas para estimar la recarga en canales mediante el uso de trazadores

Penetración en el lecho: Fue desarrollada originalmente utilizando sal como trazador, se esparcen los cristales en el lecho y luego se inserta una sonda de conductividad eléctrica en el sedimento del canal.

Punto de dilución ó método de un pozo: Este método permite calcular la velocidad de filtración a cierta distancia del canal, mediante la adición de una concentración conocida de un trazador a un barreno dentro del estrato adyacente, y luego el monitoreo de la tasa de dilución de este trazador. La concentración se estima indirectamente a través de mediciones de conductividad en el agua.

Método de dos pozos: Consiste en introducir un trazador dentro del barreno de inyección y monitorear su llegada en otro barreno ubicado aguas abajo en la dirección del gradiente. La curva de penetración (concentración de trazador contra tiempo) se grafica, y se usa el tiempo de tránsito promedio para calcular la velocidad de filtración

Aproximaciones de Darcy

Descripción: La estimación de la recarga con la técnica de Darcy consiste en encontrar valores de cabezas hidráulicas a partir de las ecuaciones de Richards, en la zona no saturada, y Boussinesq, en la zona saturada, contando con datos de conductividad hidráulica, coeficiente de almacenamiento y contenido de humedad, y mediante el uso de técnicas analíticas o modelos numéricos, según la simplicidad de las condiciones de campo o la cantidad de simplificaciones asumidas.

Recarga por ríos: Si se utilizan modelos numéricos, la recarga producida por los ríos puede asumirse como la recarga producto de una condición de frontera de cabeza constante la cual representa una fuente inagotable de agua. El sistema de agua subterránea puede abastecerse del agua de la frontera o puede descargar agua dentro de la frontera.

Ventajas y desventajas

Aunque el principio físico expresado en la ecuación de Darcy es simple, su implementación para estimar la recarga real es difícil debido a errores inherentes a la mayoría de los métodos para determinar las propiedades hidráulicas, (especialmente en suelos secos) y a su variabilidad espacial.

Métodos Empíricos

Definición: Las técnicas empíricas correlacionan la recarga con otras variables hidrológicas que se pueden medir como precipitación, temperatura, elevación, flujo en canales, etc. Esta relación se usa para extrapolar los registros de recarga en el tiempo y transponer los estimativos a otras áreas de recarga de características similares. El método más simple para estimar la recarga es el uso de relaciones empíricas entre la recarga y la precipitación.

Expresiones empíricas: Algunas expresiones empíricas basadas en correlaciones entre recarga y precipitación son (presentadas en: Lerner et al., 1990):