XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH MODELOS MATEMÁTICOS DE AGUA SUBTERRÁNEA Y SU IMPORTANCIA EN MÉXICO Flores Fernández Giovanni Carlo1, Sánchez Quispe Sonia Tatiana2, Correa González Alejandra1 y Ávila Olivera Jorge Alejandro3 1 Estudiante, Maestría en Ciencias en Ingeniería Ambiental, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Avenida Francisco J. Mujica S/N, Ciudad Universitaria, Col. Felicitas del Río, Morelia, Michoacán, C.P. 58030 2 Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Avenida Francisco J. Mujica S/N, Ciudad Universitaria, Col. Felicitas del Río, Morelia, Michoacán, C.P. 58030 3 Instituto de Investigaciones sobre los Recursos Naturales, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Av. San Juanito Itzicuaro S/N, Col. Nueva Esperanza, Morelia, Michoacán, México. C.P. 58337 [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] INTRODUCCIÓN una estimación de los méritos relativos de cada una de las alternativas. En la actualidad las prácticas urbanas, industriales y agrícolas excesivas han ocasionado una creciente demanda de agua subterránea que desde la década de los setenta ha aumentado de manera significativa el número de acuíferos sobreexplotados, identificándose para diciembre de 2010 cerca de 101 acuíferos bajo esta condición, de los cuales se extrae el 49% de agua subterránea para todos los usos, con efectos en la disminución del rendimiento de los pozos, incremento de los costos de extracción, asentamiento y agrietamiento del terreno, contaminación del agua subterránea, intrusión salina en acuíferos costeros y la fuerte competencia entre sectores, entre otros aspectos. (CONAGUA 2012) Una manera de describir la circulación del agua subterránea es a partir de expresiones matemáticas ecuaciones derivadas parciales que han sido aplicadas principalmente a acuíferos relativamente uniformes, con una geometría y condiciones en los límites muy simples, adaptables en su mayor parte a acuíferos de limitada extensión. La evolución del aprovechamiento del agua subterránea partiendo del desarrollo de bombas sumergibles en los últimos años 100 años junto con el avance en las ciencias geológicas e hidrología de los últimos 60 años han llevado a producir los conocimientos básicos necesarios para estudiar las fuentes y estimar los recursos de agua subterránea. La localización de aguas subterráneas representaba en el pasado una gran dificultad que ha sido en parte resuelta gracias a diversas técnicas de monitoreo, investigación y explotación que siguen en constante mejoría; pero el determinar la cantidad y calidad del agua, así como aplicar un manejo de los recursos bajo los principios de la hidrología sigue siendo complejo. Para algunos sistemas de cuenca el agua subterránea llega a ser un recurso renovable donde las recargas naturales pueden llegar a estar limitadas en tiempo y espacio, aun así siguen teniendo una gran ventaja sobre las aguas superficiales por la gran cantidad almacenada en los depósitos subterráneos, donde las extracciones a dichos cuerpos es completamente responsabilidad y decisión del hombre por lo cual debe evitar valores de extracción que excedan la recarga y tender a uno óptimo basado en las características cuantitativas del acuíferos, los cambios en las recargas y descarga así como la determinación de magnitud de variaciones en diversos componentes hidrológicos. (Carrera 2007) Para la evaluación y predicción de la evolución a consecuencia de la utilización del agua subterránea se requiere de una descripción cuantitativa de las propiedades, así como la descripción de los planes de uso que deben incluir el análisis de todos los esquemas posibles de desarrollo o explotación y Un modelo matemático de agua subterránea es una herramienta diseñada para representar una versión simplificada de una situación de campo real; es un esfuerzo por interpretar procesos físicos, químicos y biológicos, la meta es predecir el valor de una variable no conocida como la carga en un acuífero. Aun cuando los avances tecnológicos han ayudado a resolver más eficazmente los problemas y evaluar los recursos subterráneos, el uso de modelos numéricos de aguas subterráneas es un campo relativamente nuevo que fue desarrollado de manera extensa hasta mediados de 1960. Desde entonces, el progreso significativo se ha basado en el desarrollo y aplicación de modelos numéricos para el manejo del recurso agua subterránea. El manejo aquí se define para incluir la planeación, implementación y adaptación del control de políticas y programas relacionados a la exploración, inventario, desarrollo y operación de recursos de agua de los acuíferos. A pesar de este progreso, aún existe un desequilibrio entre la necesidad, existencia y el uso actual de modelos de agua subterránea en su administración pero esto puede servir para mejorar el manejo de recursos de agua subterránea. En México se han realizado estudios basados en dichos modelos para poder describir el flujo del recurso hídrico subterráneo, así como definir otras condiciones bajo diversas problemáticas y condiciones características de las zonas de estudio, en las cuales las simulaciones bajo diversos planes de aprovechamiento han determinado el probable estado futuro de estos sistemas, apoyando a la generación de ajustes a las reglas de operación y planes de extracción y recarga con el fin de mejorar la disponibilidad hídrica del país, siendo entonces necesario conocer que modelos han sido utilizados para dichos proyectos así como sus alcances y resultados. AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 MODELOS MATEMÁTICOS Los modelos matemáticos son una representación del mundo real aplicadas al tratamiento predictivo, donde se discretizan en 2 o 3 dimensiones dependiendo del estudio y se aplican funciones que describen el comportamiento aproximado de las propiedades que se quieren estudiar. La modelación matemática de los acuíferos permite integrar la interpretación de información, mejorar el entendimiento del funcionamientos de los acuíferos, simular su comportamiento ante distintas alternativas de utilización de aguas subterráneas y tratar de elegir la más conveniente para optimizar el recurso. Los modelos conceptuales permiten conocer la geometría del acuífero, sus parámetros hidrogeológicos, el comportamiento de las extracciones y direcciones de flujo subterráneo, por tanto un modelo matemático es una herramienta poderosa que sirve para simular y predecir el comportamiento de un sistema hidrológico, realizar análisis de riesgo y una gestión de acuíferos sustentables con poco costo y en corto tiempo, donde las simulaciones evidencian el resultado de políticas de administración que se piensen aplicar. (Tinoco 2008) En estos modelos se simula el flujo de agua subterránea indirectamente a través de una ecuación o un conjunto de ecuaciones que representan los procesos físicos que ocurren en el sistema además de aquellas que describen las cargas o flujos en las fronteras del modelo. Un método de aplicación común de modelos matemáticos en hidrogeología es el método de diferencias finitas, que consiste en la determinación de valores finales aproximados a partir de valores iniciales ciertos, aplicados a una función no diferenciable, mediante el cálculo en etapas finitas. El método de elementos finitos puede resumirse en cinco pasos básicos. - Discretizar la región, - Especificar la aproximación de la ecuación, - Desarrollar el sistema de ecuaciones, - Resolver el sistema de ecuaciones, - Calcular cantidades de interés (Borgo 1998). Existen diversos programas que aplican los modelos matemáticos con el fin de producir herramientas que faciliten la representación y caracterización de los cuerpos hídricos subterráneos, como se ven estos afectados por diversos factores a través de la simulación y a partir de la definición de distintos escenarios determinar cuáles condiciones son las más adecuadas para lograr un manejo sustentable. Algunos de estos son: FEFLOW – El sistema de flujo de elementos finitos es un programa de modelación de flujo y procesos de transporte de calor y/o componentes disueltos en medios porosos y fracturados, desarrollado por DHI-WASY GmbH, la sucursal alemana del grupo DHI. Este programa usa el análisis de elementos finitos para solucionar la ecuación de flujo para condiciones tanto saturadas como no saturadas así como el transporte de masa y calor, donde las simulaciones pueden ser en estado fijo o transitorio con diversos métodos de paso de tiempo y acercamientos de cálculo de superficie. AMH Este programa de creación un tanto reciente ha comenzado a tener cierto auge en su utilización principalmente por institutos de investigación, universidades y organizaciones de gobierno, ofreciendo un sistema integrado de motor de simulación con interfaz de usuario gráfica, con proyecciones en 2D y 3D, con diversos manejos de las superficies freáticas, de las condiciones de borde de los sistemas incluyendo pozos multicapa, permitiendo un mejor análisis y pos procesamiento a través de las opciones de visualización por diagramas, vectores e imágenes. SHARP – Modelo cuasi tridimensional de diferencias finitas que simula el flujo de agua dulce y salada separadas por una interface aguda en sistemas acuíferos costeros de capas, desarrollado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS), describe matemáticamente el fenómeno hidrodispersivo utilizando una ecuación de flujo para cada dominio de agua dulce y agua salada; estas ecuaciones se integran verticalmente y se acoplan obteniendo un sistema de ecuaciones diferenciales parciales no lineales que describen las cargas hidráulica. AEM – El método de elemento analítico es un método numérico usado para la solución del flujo constante en acuíferos con propiedades constantes, siendo capaz también de tratar con sistemas mayores obteniendo soluciones de alta precisión desarrollado por O.D.L. Strack en la universidad de Minnesota, su aplicación se ha realizado para determinar el flujo de agua subterránea gobernada por una variedad de ecuaciones diferenciales parciales lineales las cuales pueden ser superpuestas para obtener soluciones más complejas, donde cada solución es infinita en espacio y/o tiempo, este método cuenta con grupos de investigadores que continúan desarrollando modelos que buscan incluir flujo rotacional aplicable a propiedades de acuíferos variables y flujo transitorio. HydroGeoSphere (HGS) – Es un modelo de agua subterránea de elementos finitos con control de volumen en 3D, desarrollado conjuntamente por la Universidad de Waterloo y la Universidad de Laval, se basa en los regímenes de flujo superficial y subterráneo para conceptualizar los sistemas hidrológicos, tomando en cuenta todos los componentes del ciclo hidrológico, resolviendo las ecuaciones el flujo superficial, transporte de energía y sólidos simultáneamente, proveyendo de un balance completo. ZOOMQ3D – Es un programa que sigue un modelo numérico de diferencias finitas, que simula el flujo de agua subterraneo de los acuíferos, desarrollado de la colaboración entre la Universidad de Birmingham, el Servicio Geológico Británico y la Agencia Ambiental de Inglaterra y Wales, generado para investigar los recursos hídricos subterráneos y hacer predicciones de futuros cambios en su cantidad y calidad. AQUIVAL – Es un módulo de simulación de acuíferos incorporado al sistema AQUATOOL desarrollado por la Universidad Politécnica de Valencia, que utiliza el método de los auto valores de (Sahuquillo, 1983) para describir el comportamiento lineal en forma distribuida, siendo su principal característica es la eficiencia computacional, que reduce el tiempo y memoria utilizados, de tal manera que permita incluirlo dentro de modelos más complejos de gestión conjunta de recurso hídricos y así simular muchas alternativas para largos periodos de simulación. AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 COMSOL Multiphysics – Es un paquete de software que usa el método de elementos finitos para el análisis y resolución de diversas aplicación físicas y de ingeniería, desarrollado por la Universidad Tecnológica Real de Estocolmo, Suecia. Cuenta con diversos módulos específicos, entre ellos se tienen el de flujo subsuperficial para la modelación de acuíferos, aplica las ecuaciones de Richard, la ley de Darcy y las ecuaciones de Navier-Stokes para el análisis de flujos subsuperficiale así como para la modelación de transporte, reacción de sólidos y transporte de calor en medios porosos. MODFLOW – Este software simula el flujo subterráneo en un medio poroso en una, dos o tres dimensiones, fue desarrollado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS), es considerado como un estándar internacional para la simulación y predicción de las condiciones del agua subterránea así como las interacciones del agua superficial y subterránea, utiliza el método numérico de diferencias finitas para resolver mediante diversas interacciones la ecuación de flujo del agua subterránea; por medio de la interfaz gráfica Visual MODLFOW se proporciona el ambiente más adecuado para modelar de forma más completa y fácil pues se pueden visualizar las simulaciones bidimensionales y tridimensionales del flujo de agua subterráneo y transporte de contaminantes en cualquier momento durante el desarrollo del modelo. APLICACIÓN EN MÉXICO Los estudios referentes a la modelación de los recursos hídricos superficiales en México han sido variados en cuanto a las problemáticas que estos buscan atender, la mayoría de las veces se realizan con el fin de simular el comportamiento ante distintas alternativas de explotación y de forma menos frecuente para estudiar: - Drenajes agrícolas. - Redes de filtración en presas. - Efecto de pantallas de inyección y drenajes en presas. - Predicción de la elevación de niveles en acuíferos conectados con embalses, que pueden crear salinización o encharcamiento de suelos. - Efecto del almacenamiento en laderas, en acuíferos o embalses. - Movimiento de contaminantes en acuíferos (Borgo 2007). Innumerables son los estudios de modelación realizados, donde muchas veces no son conocidos por la falta de actualización y medios de consulta de las bases de datos bibliográficos de las instituciones de investigación y universidades que han llevado a cabo dichos proyectos. Entre los que han llegado a identificarse se ha encontrado que en ellos busca generarse modelos matemáticos que describan el comportamiento del acuífero estudiado pues se necesita la configuración de los abatimiento de los niveles piezométricos ya que la explotación actual sobre los cuerpos estudiados está generando desaparición de manantiales, el secado de lagunas, daños ambientales, conflictos sociales y perjuicios económicos. La fuerte explotación del acuífero del valle de León Guanajuato llevó a producir en 1998 un modelo matemático por medio del programa Visual MODFLOW, donde se pudo AMH definir la evolución de cargas hidráulicas bajo 5 escenarios de aprovechamiento, donde se tuvieron que realizar varios ajustes por subestimación y sobrestimación de diferentes parámetros siendo la conductividad hidráulica el parámetro de mayor influencia en el calibrado (Comisión estatal de agua y saneamiento de Guanajuato 1998). En un estudio del acuífero del valle de Toluca se incluyó además del software MODFLOW el uso de sistemas de información geográfica IDRISI para facilitar la introducción de datos de pozos utilizando modelos de elevaciones, teniendo como objetivo la entrega del sistema de modelación, con el fin de que fuese actualizado y usado en futuras planeaciones, tareas de manejo, adaptación, análisis y presentación de datos (Diez 2003). Para el caso del acuífero del valle de Guaymas en el estado de Sonora se realizó el modelo para estudiar la intrusión salina en el depósito subterráneo que ha sido gravemente explotando en los últimos 40 años, superando los volúmenes recarga anual, siendo SHARP el modelo utilizado para determinar el avance de la intrusión salina en el valle, donde los resultados las cargas hidráulicas simuladas y las elevaciones para cada intervalo de tiempo (Borgo 1998). La conjunción del SIG ARCGIS para la interpretación de imágenes satelitales y análisis de modelos de elevación junto con la aplicación del modelo MODFLOW fue necesaria para describir el modelo de flujo de agua subterránea del acuífero del Valle de Querétaro, realizándose un análisis de los parámetros característicos de cada unidad estratigráfica con estimación de su representatividad y confiabilidad, aproximaciones numéricas con la validación de los diferentes parámetros utilizados y mapas piezométricos de referencia y de su evolución (Carreon 2012). Por otra parte para el análisis de la contaminación por parte de la industria minera Mexicana a los sistemas de agua subterránea se realizó un estudio sobre la remediación de sitios contaminados con metales pesados a partir de un modelación de la ley de continuidad de Darcy usando ecuaciones diferenciales parciales con el software COMSOL 3.2, donde se buscó calcular las concentraciones de las especies químicas disuelta en acuífero que puedan ser afectados en cada instante de tiempo y en cada punto, indicándose que la remediación de suelos de metales pesados es posible desde el punto de vista matemático, considerando un suelo permeable (García 2007). La herramienta de modelación MODFLOW forma parte también del desarrollo de otros proyectos de investigación describiendo la estructura geológica y el flujo subterránea de la sub-cuenca de Pachuca-Zumpango en el centro de México, donde las abstracciones sin control aunadas a la falta de políticas de gestión han resultado en severos impactos ambientales, donde a partir de la modelación se pudo identificar las zonas de recarga y descarga, comprobadas por los niveles piezómetricos así como el flujo local disminuyó por la abstracción actual en la zona (Huizar 2002), de manera similar con el uso de MODFLOW y Visual MODFLOW junto a la utilización de SIG permitió la generación de un modelo hidrogeológico de los acuíferos de valle de Guadalupe, Ojos Negros y Real del Castillo que forman parte de la cuenca de Guadalupe en Baja California, los cuales han presentado un abatimiento gradual en el nivel freático en los últimos años y que gracias al modelo producido con un entorno tridimensional que lo hace más versátil ayuda a AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 definir los perfiles piezométricos con mayor detalle (Mendez 2012). Para el caso del acuífero del valle de Puebla cuya intensa explotación por las demandas urbanas e industrial ha generado un declive de la tabla de agua subterránea, deterioro de calidad, pobre productividad de pozos e incremento de costos de bombeo y tratamiento, se produjo un modelo de optimización de gestión de agua subterránea apoyado con la herramienta de optimización MODRSP, donde se evalúan un rango complejo de opciones de gestión para identificar las estrategias que mejor ajustan los objetivos, manejando para el caso 4 escenarios para analizar la respuesta hidrogeológica para esquemas de bombeo futuro, donde la reducción de extracción será posible al substituir el volumen removido de 35 pozos por el mismo volumen de agua de otra fuente (Salcedo 2012). Otro estudio realizado en el valle de México con objetivo de determinar el abatimiento de los niveles piezométricos en los pozos por sobreexplotación de acuíferos someros y evitar daños a infraestructura, pues la recarga en la zona estudiada es menor a la extracción, para ello el modelo considero la evolución de 20 pozos donde se determinó que la recarga de acuíferos profundos mantendrá niveles que pueden satisfacer aun las extracciones pero las hundimientos de la ciudad continuarán a menos que se prueben con otras medidas de explotación (Tinoco 2008) Como se puede apreciar el emplear modelos numéricos de simulación permite identificar de manera más precisa el sistema acuífero y evaluar el recurso del agua subterránea; también permite la planificación de su explotación, a través del diseño de redes piezométricas de monitoreo (Herrera 2007) o identificación de unidades hidroestatigráficas (Moreal 2011). Estos modelos parten de una síntesis elaborada a partir de datos concretos recolectados en el terreno y de la experiencia adquirida, donde una de las etapas más complejas es la definición de rejilla de celdas así como la identificación de los parámetros hidráulicos e hidrogeológicos pues no se han realizado trabajos o estudios de campo con la profundidad y constancia necesarios para poder proporcionar datos precisos fundamentales para la generación de los modelos para cada zona de estudio. CONCLUSIONES En México se han usado diferentes modelos matemáticos de agua subterránea para poder conocer el flujo del agua en medios de suelo variados como parte de estudios hidrológico e hidrogeológicos en sistemas de cuencas de relevancia, estos estudios se han llevado a cabo de manera un tanto aislada aplicando metodologías y softwares de alcances diferentes, donde el uso del método de diferencias finitas aplicado a través del programa MODFLOW es el que ha sido utilizado ampliamente para generar los modelos de los sistemas estudiados ya que resulta intuitivo, simple y con más aplicación en trabajos de investigación. Aun así existen ciertas modalidades o extensiones que no satisfacen las necesidades del modelador, por lo cual resulta necesario atender a las opciones que presentan otros modelos que resultan más finos al momento de simular ciertas características o fenómenos del flujo subterráneo, así como la implementación de sistemas de información geográfica para identificar y caracterizar de manera ágil y eficaz los sistemas estudiados. AMH Los avances en informática han permitido realizar la representación de sistemas complejos identificando los parámetros o variables de los que dependen y de qué manera es necesario modificarlos con el fin de llegar a obtener un resultado deseado a través de una significante cantidad de escenarios y simulaciones, es evidente que por medio de los softwares desarrollados en años recientes es posible llegar a la resolución de la creciente problemática en los sistemas de acuíferos, pero aun así queda mucho por avanzar en términos de modelación de tal manera que sea posible generar interfaces más completas y poderosas. El grado de complejidad y escala de los estudios muchas veces limita el desarrollo de los proyectos en más de una interface, pero sólo a partir de la comparación de resultados en modelos distintos se puede apreciar con precisión las ventajas y desventajas que presenta un programa con respecto a otro. Es entonces fundamental ligar de manera eficiente y adecuada los modelos hídricos subterráneos con los modelos de fenómenos hidrológicos superficiales, atendiendo no solo a la simulación de la cantidad sino también a la calidad de los recursos hídricos, pues un modelo representativo debe reproducir fielmente el comportamiento del acuífero y cuencas: el estado del sistema, las acciones sobre él y las leyes que lo relacionan, de tal manera que se describa el funcionamiento del ciclo hidrológico con la mayor aproximación a la realidad, pues en ello radica la importancia de la aplicación de los modelos matemáticos, proporcionar una herramienta eficiente que pueda describir de la forma más completa y detallada el comportamiento de los sistemas de cuerpos de aguas tanto superficiales como subterráneos con el fin de establecer como se ve este afectado por factores naturales y antropogénicos para poder así realizar las modificaciones o adaptaciones pertinentes ya sea del entorno o de las actividades de los sectores que hacen uso de ellos, evitando de esta forma afectaciones ambientales, sociales y económicas. 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