Monthly Archives: diciembre 2016

Revisión del mito del balance hídrico: ¿por qué se desarrollan modelos en hidrogeología?

Artículo: The water budget myth revisited: why hydrogeologists model?

Autor: John D. Bredehoeft

En este artículo se discute una idea ampliamente instalada en la comunidad relacionada al agua subterránea: si se puede estimar la recarga de un sistema de agua subterránea, entonces puede determinarse la cantidad que puede extraerse para realizar un aprovechamiento o uso sostenible. Ya en 1940, Theis demostró que esta idea no es correcta pero, a pesar de ello, el mito subsiste.  La medida del uso sostenible usualmente depende de cuánta descarga del sistema puede ser “capturada” para la extracción. Esta captura es independiente de la recarga; depende de la respuesta dinámica del sistema del acuífero a su aprovechamiento. Los modelos de agua subterránea fueron creados para estudiar esta respuesta dinámica de los sistemas de agua subterránea; ésta es una de las razones principales para modelar en hidrogeología.

El balance hídrico

Con el fin de ilustrar los conceptos básicos, el autor considera el sistema de un acuífero simple: un acuífero aluvial permeable que subyace a una isla circular en un lago de agua dulce. Este acuífero se muestra esquemáticamente, en varias etapas, en la Figura 1.

Antes del aprovechamiento, la recarga por precipitación crea un nivel freático. La recarga sobre la isla se encuentra balanceada por la descarga desde el acuífero permeable directamente al lago (Figura 1 – sección transversal superior). Puede escribirse el siguiente balance hídrico para las condiciones iniciales en la isla:

ec-1

donde R0 es la recarga inicial (a la que generalmente se refiere el mito), y D0 es la descarga inicial. La capa freática de la isla es la respuesta a la distribución de la recarga y la descarga y la transmisividad del acuífero aluvial (Figura 1 – sección transversal superior).

La descarga al lago puede obtenerse en cualquier punto a lo largo de la costa aplicando la ley de Darcy:

ec-2

donde d es la descarga a través del acuífero en un punto cualquiera de la costa; T es la transmisividad en el mismo punto; y dh/dl es el gradiente en la capa freática en ese punto.

fig-1

Figura 1. Sección transversal esquemática de un acuífero situado en una isla circular en un lago de agua dulce, con extracción por medio de bombeo. Fuente: Bredehoeft (2002)

Si se integra esta descarga puntual a lo largo de toda la línea de costa de la isla, se obtiene la descarga total desde la isla:

ec-3

Ahora, se considera la instalación de un pozo en medio de la isla y se inicia el bombeo (Figura 1 – segunda sección transversal). En cualquier instante siguiente, se puede escribir un nuevo balance para la isla:

ec-4

Donde ΔR0 es el cambio causado por el bombeo en la tasa inicial de recarga; ΔD0 es el cambio en la tasa de descarga, causado también por el bombeo; P es la tasa de bombeo; y dV/dt es la tasa a la cual se extrae agua del almacenamiento del acuífero en la isla.

Se sabe que la tasa inicial de recarga, R0, es igual a la tasa inicial de descarga, D0, y entonces la ecuación del balance hídrico posterior al inicio del bombeo se reduce a:
ec-5

Para un aprovechamiento sostenible, se requiere que el agua extraída del almacenamiento sea cero; es decir, se define la sostenibilidad como:

ec-6

Entonces, el balance hídrico para un aprovechamiento sostenible es:

ec-7

Luego, se está afirmando que, para alcanzar un aprovechamiento sostenible, el bombeo debe ser balanceado por un cambio en la tasa inicial de recarga, ΔR0, y/o en la tasa inicial de descarga, ΔD0, causado por el bombeo. Tradicionalmente, la suma del cambio en la recarga y el cambio en la descarga, causados por el bombeo, la cantidad (ΔR0 – ΔD0)  se define como “captura” atribuible al bombeo. Para ser un aprovechamiento sostenible, la tasa bombeo debe ser igual a la tasa de captura.

Debe notarse que, para determinar la sostenibilidad no se necesita conocer la recarga. La recarga podría ser de interés, como lo son todas las facetas de un balance hídrico, pero no es un factor determinante en este análisis.

La recarga es, a menudo, una función de las condiciones externas – así como la precipitación, vegetación, y permeabilidad del suelo. En muchos, si no en la mayoría de los casos de aguas subterráneas, la tasa de recarga no puede ser afectada por el bombeo; en otras palabras, en términos del balance hídrico:

ec-8

En la mayoría de los casos, la sostenibilidad del uso de un acuífero ocurre cuando el bombeo captura una cantidad igual de descarga inicial:

ec-9

Volviendo a la isla, puede verse como ocurre conceptualmente la captura. Cuando se inicia el bombeo, se crea un cono de depresión. En la Figura 1 (segunda sección transversal) se muestra el cono de depresión en una etapa temprana del aprovechamiento del acuífero en la isla. La descarga natural desde la isla no empieza a cambiar hasta que el cono de depresión cambie la pendiente de la capa freática en la costa de la isla; recordando que la ley de Darcy controla la descarga en la costa. Hasta que la pendiente de la capa freática en la costa sea alterada por el bombeo, la descarga natural continúa a su tasa inicial. Hasta el instante en el cual el cono de depresión alcanza la costa y cambia significativamente el gradiente de la capa freática, toda el agua extraída por el bombeo fue proveída por el almacenamiento del acuífero. En otras palabras, el cono de depresión debe llegar hasta la costa para que la descarga natural sea afectada (Figura 1 – tercera sección transversal). La tasa a la que el cono de depresión se desarrolla, alcanza la costa, y luego cambia la pendiente de la capa freática depende de la dinámica del sistema del acuífero – transmisividad, capacidad de almacenamiento (o productividad específica, specific yield) y condiciones de borde. La tasa de captura en un sistema de agua subterránea es un problema dentro de la dinámica del sistema. La captura no tiene relación con la tasa inicial de recarga; la recarga es irrelevante en la determinación de la tasa de captura.

La Figura 1 (en la tercera sección transversal) muestra el nivel de agua del acuífero en la isla en un instante en que la descarga natural es casi nula; la pendiente de la capa freática es casi horizontal en la costa. Deliberadamente, el autor crea un sistema de agua subterránea en el cual se puede inducir que el agua fluya desde el lago hacia el acuífero (Figura 1 – cuarta sección transversal). En esta instancia, la extracción sostenible puede exceder la recarga inicial (o también, la descarga inicial). Nuevamente, esto sugiere que la recarga no es un dato de entrada relevante para determinar la magnitud del aprovechamiento sostenible.

Muchas veces, la geometría del acuífero restringe la captura. Por ejemplo, si el acuífero en la isla fuese de pequeño espesor, se podría acabar el agua para el bombeo mucho antes de que pudiese capturarse alguna fracción de la descarga. En este caso, toda el agua extraída por el bombeo vendría del almacenamiento. El acuífero estaría en explotación. En el ejemplo de la isla, con un acuífero de espesor pequeño, el pozo podría secarse antes de poder afectar la descarga en la línea de la costa. Nótese que en la Figura 1 (cuarta sección transversal), se ha esquematizado la situación en la que la disminución de nivel de agua en el pozo alcanza el fondo del acuífero; la geometría del acuífero y la difusividad limitan la disminución potencial de nivel en el pozo. Una vez más, esto indica que la respuesta dinámica del acuífero es fundamental para la determinación de los impactos del aprovechamiento. Es por esta razón que la hidrogeología se interesa en la dinámica de respuesta de un acuífero. Los hidrogeólogos desarrollan modelos intentando entender esta dinámica.

Claramente, el acuífero de la isla circular es un sistema simple. A pesar de ello, los principios explicados en términos de este sistema sencillo pueden aplicarse a todos los sistemas de agua subterránea. Es la dinámica de cómo se realiza la captura en el acuífero la que finalmente determina la dimensión que podría tener un uso sostenible.

En conclusión, la idea de que conocer la tasa inicial de la recarga es importante para determinar la dimensión del aprovechamiento sostenible de un acuífero es un mito; esta idea no tiene, de hecho, ninguna base. El concepto importante para determinar cómo un acuífero alcanza un nuevo equilibrio es la captura; la forma en que la captura ocurre en un sistema de agua subterránea es un proceso dinámico. Por esta razón, los hidrogeólogos se ocupan de estudiar la dinámica de los acuíferos, y la herramienta principal para estas investigaciones son los modelos de aguas subterráneas.

Referencias

Bredehoeft, J. D. (2002). The water budget myth revisited: why hydrogeologists model. Ground Water, 40(4), 340-345.