Modelo de aguas subterráneas

Los modelos de aguas subterráneas son modelos informáticos de los sistemas de flujo de agua subterránea , utilizados por hidrólogos e hidrogeólogos . Estos modelos se emplean para simular y predecir las condiciones de los acuíferos .

Resulta difícil dar una definición inequívoca de "modelo de aguas subterráneas", pero existen muchas características comunes.

Un modelo de aguas subterráneas puede ser un modelo a escala o un modelo eléctrico de una situación de aguas subterráneas o un acuífero . Estos modelos se utilizan para representar el flujo natural de las aguas subterráneas en el medio ambiente. Algunos modelos incluyen aspectos de calidad (química) de las aguas subterráneas. Dichos modelos intentan predecir el destino y el movimiento de los compuestos químicos en escenarios naturales, urbanos o hipotéticos.

Los modelos de aguas subterráneas pueden utilizarse para predecir los efectos de los cambios hidrológicos (como el bombeo de agua subterránea o el desarrollo de sistemas de riego) en el comportamiento del acuífero y suelen denominarse modelos de simulación de aguas subterráneas. Estos modelos se emplean en diversos planes de gestión del agua para zonas urbanas.

Como los cálculos en los modelos matemáticos de aguas subterráneas se basan en ecuaciones de flujo de aguas subterráneas , que son ecuaciones diferenciales que a menudo solo pueden resolverse mediante métodos aproximados utilizando un análisis numérico , estos modelos también se denominan modelos matemáticos, numéricos o computacionales de aguas subterráneas . ^{[ 1 ]}

Los modelos matemáticos o numéricos suelen basarse en la física real que rige el flujo de agua subterránea. Estas ecuaciones matemáticas se resuelven mediante códigos numéricos como MODFLOW , ParFlow, HydroGeoSphere , OpenGeoSys , etc. En el artículo sobre " Hidrogeología " se analizan diversos tipos de soluciones numéricas, como el método de diferencias finitas y el método de elementos finitos .

Para realizar los cálculos se necesitan datos de entrada como:

• aportes hidrológicos,
• insumos operativos,
• condiciones externas: condiciones iniciales y de contorno ,
• parámetros (hidráulicos) .

El modelo puede incluir componentes químicos como la salinidad del agua , la salinidad del suelo y otros indicadores de calidad del agua y del suelo, para los cuales también pueden ser necesarios datos de entrada.

Aportes hidrológicos

El acoplamiento principal entre el agua subterránea y los aportes hidrológicos es la zona no saturada o zona vadosa . El suelo actúa como partición de los aportes hidrológicos, como la lluvia o el deshielo, en escorrentía superficial , humedad del suelo , evapotranspiración y recarga de agua subterránea . Los flujos a través de la zona no saturada que acoplan el agua superficial con la humedad del suelo y el agua subterránea pueden ser ascendentes o descendentes, dependiendo del gradiente de carga hidráulica en el suelo, y pueden modelarse utilizando la solución numérica de la ecuación de Richards ^{[ 2 ]} , la ecuación diferencial parcial o la ecuación diferencial ordinaria. El método de contenido de agua finito ^{[ 3 ]} ha sido validado para modelar las interacciones entre el agua subterránea y la zona vadosa ^{[ 4 ]} .

Condiciones de contorno e iniciales

Las condiciones de contorno pueden estar relacionadas, por un lado, con los niveles freáticos , las presiones artesianas y la carga hidráulica a lo largo de los límites del modelo ( condiciones de carga ), o, por otro lado, con las entradas y salidas de agua subterránea a lo largo de los límites del modelo ( condiciones de flujo ). Esto también puede incluir aspectos de calidad del agua, como la salinidad.

Las condiciones iniciales se refieren a los valores iniciales de los elementos que pueden aumentar o disminuir en el transcurso del tiempo dentro del dominio del modelo y abarcan en gran medida los mismos fenómenos que las condiciones de contorno.

Las condiciones iniciales y de contorno pueden variar de un lugar a otro. Las condiciones de contorno pueden mantenerse constantes o variar en el tiempo.

Parámetros

Los parámetros suelen referirse a la geometría y las distancias en el dominio que se va a modelar, así como a aquellas propiedades físicas del acuífero que son más o menos constantes en el tiempo, pero que pueden variar en el espacio.

Los parámetros importantes son la topografía , el espesor de las capas de suelo/roca y su conductividad hidráulica horizontal/vertical (permeabilidad al agua), la transmisividad y resistencia del acuífero , la porosidad del acuífero y el coeficiente de almacenamiento , así como la capilaridad de la zona no saturada. Para más detalles, consulte el artículo sobre hidrogeología .

Algunos parámetros pueden verse influenciados por cambios en el nivel freático, como el espesor de una capa de suelo, que puede disminuir cuando baja el nivel freático o se reduce la presión hidráulica. Este fenómeno se denomina subsidencia . En este caso, el espesor varía con el tiempo y no constituye un parámetro propiamente dicho.

La aplicabilidad de un modelo de aguas subterráneas a una situación real depende de la precisión de los datos de entrada y los parámetros . La determinación de estos requiere un estudio exhaustivo, como la recopilación de datos hidrológicos ( precipitación , evapotranspiración , riego , drenaje ) y la determinación de los parámetros mencionados, incluyendo pruebas de bombeo . Dado que muchos parámetros varían considerablemente en el espacio, se requiere el criterio de expertos para obtener valores representativos.

Los modelos también pueden utilizarse para el análisis condicional : si el valor de un parámetro es A, ¿cuál es el resultado?, y si el valor del parámetro es B, ¿cuál es su influencia? Este análisis puede ser suficiente para obtener una idea general del comportamiento del agua subterránea, pero también puede servir para realizar un análisis de sensibilidad y responder a la pregunta: ¿qué factores tienen mayor influencia y cuáles tienen menor influencia? Con esta información, se pueden orientar los esfuerzos de investigación hacia los factores más influyentes.

Cuando se han recopilado datos suficientes, es posible determinar parte de la información faltante mediante calibración . Esto implica asumir un rango de valores para el valor desconocido o dudoso de un parámetro determinado y ejecutar el modelo repetidamente, comparando los resultados con los datos correspondientes conocidos. Por ejemplo, si se dispone de datos de salinidad del agua subterránea y el valor de la conductividad hidráulica es incierto, se asume un rango de conductividades y se selecciona como "verdadero" aquel valor de conductividad que produce resultados de salinidad cercanos a los valores observados, lo que significa que el flujo de agua subterránea, regido por la conductividad hidráulica, concuerda con las condiciones de salinidad. Este procedimiento es similar a la medición del flujo en un río o canal, donde se deja caer agua muy salina de concentración conocida por goteo y se mide la concentración de sal resultante aguas abajo.

Los modelos de aguas subterráneas pueden ser unidimensionales, bidimensionales, tridimensionales y semitridimensionales. Los modelos bidimensionales y tridimensionales pueden tener en cuenta la anisotropía del acuífero con respecto a la conductividad hidráulica , es decir, esta propiedad puede variar en diferentes direcciones.

Unidimensional, bidimensional y tridimensional

1. Se pueden utilizar modelos unidimensionales para el flujo vertical en un sistema de capas horizontales paralelas.
2. Los modelos bidimensionales se aplican a un plano vertical, mientras que se supone que las condiciones del agua subterránea se repiten en otros planos verticales paralelos (Fig. 4). Las ecuaciones de espaciamiento de drenajes subterráneos y el balance energético del agua subterránea aplicado a las ecuaciones de drenaje ^{[ 5 ]} son ​​ejemplos de modelos bidimensionales de agua subterránea.
3. Los modelos tridimensionales como Modflow ^{[ 6 ]} requieren la discretización de todo el dominio de flujo. Para ello, la región de flujo debe subdividirse en elementos (o celdas) más pequeños, tanto en sentido horizontal como vertical. Dentro de cada celda, los parámetros se mantienen constantes, pero pueden variar entre las celdas (Fig. 5). Utilizando soluciones numéricas de ecuaciones de flujo de agua subterránea , el flujo de agua subterránea puede encontrarse como horizontal, vertical y, más a menudo, como intermedio .

Semitridimensional

En los modelos semi tridimensionales, el flujo horizontal se describe mediante ecuaciones de flujo bidimensionales (es decir, en la dirección horizontal x e y). Los flujos verticales (en la dirección z) se describen (a) con una ecuación de flujo unidimensional, o (b) se derivan de un balance hídrico de flujos horizontales que convierte el exceso de agua subterránea entrante horizontal sobre la saliente horizontal en flujo vertical bajo el supuesto de que el agua es incompresible .

Existen dos clases de modelos semitridimensionales:

• Modelos continuos o radiales que constan de submodelos bidimensionales en planos radiales verticales que se intersecan entre sí en un único eje. El patrón de flujo se repite en cada plano vertical, extendiéndose desde el eje central.
• Modelos discretizados o modelos prismáticos que consisten en submodelos formados por bloques verticales o prismas para el flujo horizontal combinados con uno o más métodos de superposición del flujo vertical.

modelo radial continuo

Un ejemplo de modelo radial no discretizado es la descripción del flujo de agua subterránea que se mueve radialmente hacia un pozo profundo en una red de pozos de los cuales se extrae agua. ^{[ 7 ]} El flujo radial pasa a través de una sección transversal cilíndrica vertical que representa la equipotencial hidráulica cuya superficie disminuye en la dirección del eje de intersección de los planos radiales donde se ubica el pozo.

Modelo discretizado prismáticamente

Los modelos discretizados prismáticamente como SahysMod ^{[ 8 ]} tienen una cuadrícula solo sobre la superficie terrestre. La red de cuadrícula bidimensional consta de triángulos, cuadrados, rectángulos o polígonos . Por lo tanto, el dominio de flujo se subdivide en bloques verticales o prismas . Los prismas pueden discretizarse en capas horizontales con diferentes características que también pueden variar entre los prismas. El flujo de agua subterránea entre prismas vecinos se calcula utilizando ecuaciones de flujo de agua subterránea horizontales bidimensionales. Los flujos verticales se encuentran aplicando ecuaciones de flujo unidimensionales en sentido vertical, o pueden derivarse del balance hídrico: el exceso de flujo de entrada horizontal sobre flujo de salida horizontal (o viceversa) se traduce en flujo vertical, como se demuestra en el artículo Hidrología (agricultura) .

En los modelos semitridimensionales, el flujo intermedio entre horizontal y vertical no se modela como en los modelos tridimensionales propiamente dichos. Sin embargo, al igual que estos últimos, permiten la introducción de sistemas de drenaje subterráneo horizontales y verticales .

Los acuíferos semiconfinados con una capa de baja permeabilidad que recubre el acuífero (el acuitardo ) pueden incluirse en el modelo simulando el flujo vertical a través de ella bajo la influencia de una sobrepresión en el acuífero propiamente dicho en relación con el nivel freático dentro o por encima del acuitardo.

• Método de Elementos Analíticos
• FEFLOW
• FLUJO DE POROS
• SVFlux
• FEHM
• HidroGeoesfera
• Modelo integrado de flujo de agua
• MicroFEM
• MODFLOW
  • GMS
  • MODFLOW visual
  • Procesamiento de Modflow
• OpenGeoSys
• SahysMod , modelo espacial agro-hidro-salinidad-acuífero, en línea:
• Software para recursos hídricos y aguas subterráneas del Servicio Geológico de los Estados Unidos
• MARTHE del Servicio Geológico Francés (BRGM)
• ZOOMQ3D
• Curso gratuito de modelización de aguas subterráneas para principiantes.

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