dinámica de las aguas subterráneas en el carso de topes de

INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIV, No. 3, 2003

Leslie F. Molerio León, Grupo de Aguas Terrestres, Instituto de Geofísica y Astronomía, Ciudad de La Habanae-mail: [email protected]

Dinámica de las aguas subterráneas en el carsode Topes de Collantes, Sancti Spíritus, Cuba

Resumen / AbstractINTRODUCCIÓNLas posibilidades acuíferas de las zonas de montaña

de Cuba están evaluadas solo de manera general.1-15

Trabajos destinados a la cuantificación de los recursoshidráulicos subterráneos son escasos y, por lo común, laprospección hidrogeológica se ha orientado a la resoluciónde problemas específicos de abastecimiento de agua oprotección de las aguas subterráneas. Mucha de estainformación permanece inédita16-26 y, en tal sentido, elterritorio del Complejo Sanatorial de Topes de Collantes(figura 1) no constituye una excepción.

La información de caudales y composición química delas aguas subterráneas en pozos y manantiales es muyaislada. Este artículo resume los principales resultadosdel procesamiento de la información colectada, en variascampañas de exploración hidrogeológica, entre 1988 y 1996.

Se examina el potencial acuífero del territorio delComplejo Sanatorial de Topes de Collantes, en lasmontañas del Escambray, Cuba central, sistema cársicodesarrollado en rocas metacarbonatadas y esquistosfilitizados de edad Jurásico, aplicando métodos debalance hídrico, balance de cloruros y estudio de lascurvas de recesión de caudales de cuatro puntoshidrométricos. La estructura de las series de lluvia ycaudal se estudia aplicando técnicas de análisiscorrelatorio y espectral. Se comentan las principalescaracterísticas físico-químicas de las aguas subterráneas.Palabras clave: carso, aguas subterráneas, balancehídrico, montañas

The karstic groundwater potential of the Topes deCollantes Health Center, in the Escambray mountains,central Cuba, is examined. Karst is developed on Jurassicmetacarbonates and filitized schists. Groundwaterassessment has been developed applying hydric balance,chloride balance and by means of the recession curvesfrom four hydrometric stations. The structure of rainfalland flow series is studied applying techniques ofcorrelation and spectral analysis. Main physico-chemicalcharacteristics of ground waters is commented.Key words: karst, ground waters, hydric balance

FIG. 1. Mapa de ubicación.

En este caso, la información disponible es escasa, yaque se carece de series cronológicas de las variables delbalance hídrico lo suficientemente largas como paraestimar los recursos de aguas subterráneas para sistemaslocales e intermedios de flujo. Esto es particularmentenotable en cuanto a las series de escurrimiento superficial,que constan de observaciones en puntos hidrométricosde observación mensual. Las series de lluvia, temperaturay humedad relativa poseen una longitud aceptable, perolas estaciones pluviométricas, por ejemplo, no tienensuficiente densidad para permitir trabajos de detalle.

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Dinámica de las aguas subterráneas en el carso de Topes de Collantes, Sancti Spíritus, Cuba

Se reconocen, básicamente, dos grupos de unidadesacuíferas: los metacarbonatos carsificados y losesquistos filitizados. En ambos casos, las aguas yacenen las grietas, con diferente grado de conexión física,almacenamiento y reposición natural de los recursos. Loslímites de las unidades y sus relaciones mutuas no seconocen con precisión, de manera que pueden definirsemuy pocos sistemas locales de flujo.

La estructura radial de la red fluvial superficial favorecela idea de la existencia de, al menos, dos centros deinfiltración natural y de dispersión del escurrimientosuperficial/subterráneo, caracterizados por muy bajoscoeficientes de almacenamiento y altas transmisividades.Ello sugiere que los recursos de explotación de las aguassubterráneas sean limitados en extensión y volumen.

Las unidades acuíferas constituyen sistemas de flujolibre, en general. Pueden reconocerse, localmente,hor izontes con cierta presión. La corteza deintemperismo no es acuífera, por de su composiciónlitológica y espesor.

Se dispuso de información respecto a la lluvia,temperatura y humedad relativa como series mensualesdel período 1976-1990 y de valores instantáneosmensuales de caudal fluvial para el período 1986-1990,en cuatro puntos hidrométricos.

Entradas en el sistemaLas aguas de lluvia constituyen la única fuente de aporte

a las aguas subterráneas del territorio. La informacióndisponible no permite evaluar los eventuales flujos lateralesen los diferentes sistemas locales de flujo. La figura 2muestra la variación interanual de la lluvia en el territoriopara el período 1986-1990.

Se reconocen dos estaciones en el año, de acuerdo conla distribución de la lámina de lluvia. Un período menoslluvioso, extendido de noviembre a abril, con una láminatotal media de 353 mm, y una estación lluviosa, de mayo aoctubre, en la que precipitan, como promedio, 1 726 mm. Elperíodo lluvioso presenta una distribución bimodal, con dosmáximos: uno en mayo-junio y otro en septiembre. El mínimodel período lluvioso ocurre en el mes de julio. El períodomenos lluvioso exhibe un máximo en febrero-marzo. La lluviamedia del territorio es de unos 2 080 mm anuales.

Las figuras 2 y 3 muestran, respectivamente, elautocorrelograma y el espectro de densidad de varianzade la lluvia media mensual del territorio. La función deautocorrelación muestra la componente completamentealeatoria de la señal de entrada para el paso de tiempodisponible, así como su comportamiento periódico. Elespectro de densidad de varianza (figura 4) muestra unaancha banda espectral que indica que el sistema, como esde esperar, no se autorregula en pasos de tiempo superioresa los 30 días, de manera que, confirma que la señal deentrada tiene una componente fundamentalmente aleatoria.

UNIDADES ACUÍFERAS

VARIABLES DEL BALANCE HÍDRICO

0

200

400

600

800

1000

1200

dic-

86

mar

-87

jun-

87

sep-

87

dic-

87

mar

-88

jun-

88

sep-

88

dic-

88

mar

-89

jun-

89

sep-

89

dic-

89 FIG. 2 Distribución de la lluvia (mm) en elterritorio (1986-1989).

LLUVIA

19.07 .0870

18.08 .0798

14.11 .1681

14.11 .1186

14.04 .0807

11.49 .1186

9.94 .1274

5.88 .3179

2.84 .5847

1.06 .7871

1.06 .5899

1.05 .3063

Q p

12 +.131 .1316

11 +.268 .1342

10 -.007 .1368

9 +.035 .1393

8 +.226 .1418

7 -.180 .1442

6 -.295 .1466

5 -.260 .1489

4 -.202 .1512

3 +.008 .1535

2 -.015 .1557

1 +.162 .1579

Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1

FIG. 3 Función de autocorrelación decaudales de la lluvia media mensual.

Lluvia

Lluvia

57

L. F. Molerio

Salidas del sistemaLas pérdidas del sistema ocurren por los siguientes

procesos: evapotranspiración, escurrimiento directo yexplotación de las aguas subterráneas. De este último noexisten datos confiables que puedan incluirse en laecuación de balance hídrico.

EvapotranspiraciónLa evapotranspiración fue determinada, de manera

indirecta, aplicando los métodos de Turc, Thornwaite-Mather y Blaney-Criddle.27,28 Los dos últimos ofrecen elvalor de la evapotranspiración mensual y los resultadosse presentan en la tabla 1.

Tabla 1Variables de cálculo de la evapotranspiración aplicando los métodos de Thornwaite-Mather y Blaney-Criddle

Mes LL T i ETPnc K ETPc H H-100 ETPbc Hbc

Ene. 38 20,9 8,72 4,24 0,95 4,03 33,9 3,99 34

Feb. 62 20,7 8,59 4,35 0,9 3,92 57,7 4,13 58

Mar. 65 22,5 9,75 3,5 1,03 3,6 61,7 4,49 61

Abr. 53 23,6 10,48 3,08 1,05 3,23 50,1 4,78 49

May. 437 24,6 11,16 2,77 1,13 3,13 434 334 5,08 432

Jun. 418 25 11,44 2,65 1,11 2,94 416 315 5,3 418

Jul. 136 25,6 11,85 2,49 1,14 2,84 133 133 5,4 131

Ago. 181 26 12,13 2,39 1,11 2,65 178 78 5,24 175

Sep. 318 25,6 11,85 2,49 1,02 2,54 316 216 5,02 313

Oct. 235 24,6 11,16 2,77 1,00 2,77 232 132 4,55 230

Nov. 77 22,6 9,82 3,45 0,93 3,21 74 4,17 73

Dic. 58 21,2 8,91 4,09 0,94 3,84 54 4,02 54

2078,6 125,9 38,7 2040 1108 38,7

Nota:LL: Lámina de lluvia (mm); T: Temperatura media del aire (oC); i: Índice térmico mensual; ETPnc: Evapotranspiración potencial nocorregida (mm); K: Coeficiente de corrección; ETPc: Evapotranspiración potencial corregida (mm); ∆H: Excedente de humedaddel suelo (mm); H-100: Lámina conjunta disponible para escurrimiento superficial y alimentación subterránea (mm);ETPbc: Evapotranspiración potencial calculada por el método de Blaney-Criddle (mm).

Frecuencia

Den

sida

d E

spec

tral

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 FIG. 4. Espectro de densidad de varianza de la láminade lluvia.

Análisis espectral de la lámina de lluviaNo. de casos 36

58


El método de Turc permite estimar la evapotranspiraciónreal anual; según este método, para valores medios delluvia y temperatura del aire de 2 078,6 mm y de 23,5 oC,la evapotranspiración real es del orden de los 1 259 mmanuales, es decir, el 61 % de la lluvia media anual.

El cálculo por el método de Blaney-Criddle se afectópor un coeficiente k = 0,9 para vegetación natural. Entodos los casos, la lámina mensual de lluvia es superior ala de evapotranspiración potencial, de modo que seasume que este es el valor equivalente en evapo-transpiración real.

Humedad del sueloLa humedad del suelo se ajusta a la misma distribución

interanual de la lluvia. El excedente H, almacenado comohumedad en el suelo, en consecuencia, presenta idénticosmáximos y mínimos, en el dominio temporal.

Humedad disponible para escurrimiento superficiale infiltración

Del análisis de la humedad disponible para escurrimientosuperficial e infiltración puede concluirse que, ajustadas ala misma distribución bimodal del período lluvioso, durantelos meses de noviembre-abril la alimentación subterráneaes despreciable, de manera que los caudales fluvialesdeben mantenerse a expensas del almacenamiento delas aguas subterráneas. Las observaciones hidrométricasefectuadas en varios cierres en Arroyo Grande, LasMajaguas y Río Cañas, así lo confirman.

Caudal fluvialLa figura 5 muestra los caudales instantáneos

mensuales medidos entre fines de 1986 y enero de 1990,en varios puntos hidrométricos en los sistemas fluvialesde Arroyo Grande y río Cañas. En este último se hanobservado caudales máximos, en el período lluvioso, dehasta 600 lps y de hasta 300 lps en Arroyo Grande.

0,01

0,1

1

dic-86

feb-87

abr-87 jun

-87ago

-87oct

-87dic-

87feb

-88ab

r-88 jun-88

ago-88

oct-88

dic-88

feb-89

abr-89 jun

-89ago

-89 oct-89

dic-89

log

Q (

lps)

Pat.

Tom.T.P. 1

T.P.2FIG. 5. Distribución inter-anual de caudales.

Los caudales base son inferiores a los 10 lps en ríoCañas y de unos 50 lps en Arroyo Grande.

Los hidrogramas siguen aproximadamente los mismospatrones en cada corriente fluvial; el caudal fluvial seincrementa aguas abajo, lo que sugiere que no hay pérdidasapreciables entre los puntos hidrométricos y que elescurrimiento se ajusta al incremento del área de cierrepara un mismo patrón de lluvia.

Por otro lado, las menores avenidas se identifican enArroyo Grande lo que, unido a que posee los caudales basemás altos, indica que el sistema de flujo subterráneo ejerceuna mayor regulación aquí que en río Cañas. Elloimplica, además, una diferencia entre la magnitud delas reservas reguladoras de ambos sistemas, debiendoesperarse valores más altos en Arroyo Grande.

La red fluvial constituye, para los sistemas de flujosubterráneo, el nivel de base local.

Relación lluvia-escurrimiento superficialPara las series de caudal fluvial disponible se obtuvo,

en general, una correlación aceptable entre la láminamensual de lluvia registrada en la estación Topes deCollantes y el caudal instantáneo mensual medido en losdiferentes puntos hidrométricos. La figura 6 muestra lasrelaciones de correspondencia encontradas. La tabla 2resume los parámetros de ajuste mínimo cuadrático ylos indicadores estadísticos básicos de las variablesde cálculo. La pendiente de las curvas q = f (ll)disminuye aguas arriba, así como el intercepto con eleje de cero lluvia. Los coeficientes de correlación sondel mismo orden. Es característico, por otra parte, quelos coeficientes de variación del caudal fluvial mensualsean menores hacia las cabeceras de las cuencas, loque puede indicar una mayor influencia del área de estasobre la variabilidad del escurrimiento en la direcciónde la corriente.

59

L. F. Molerio

Regression95% confid.

Q3P

1

0

0.06

0.12

0.18

0.24

0.3

-200 0 200 400 600 800 1000 1200


TO

M

-0.01

0.01

0.03

0.05

0.07

0.09

-200 0 200 400 600 800 1000 1200

b)

c)


Correlation: r = .64272

Q3P

2

0.02

0.08

0.14

0.2

0.26

0.32

0.38

-200 0 200 400 600 800 1000 1200

FIG. 6 Ajuste mínimo cuadrático entre lalluvia y los caudales de los puntoshidrométricos: a) Tres Palmas 2; b) TresPalmas 1; c) La Tomatera y d) Patricio (pasode tiempo mensual).

a)


PA

T

-0.02

0.02

0.06

0.1

0.14

0.18

0.22

0.26

-200 0 200 400 600 800 1000 1200

d)

Lluvia vs Q3P2 Q3P2 = 0.08666 + 0.00022 . Lluvia

Correlación: r = 0.64272

Lluvia vs Q3P1 Q3P1 = 0.07463 + 0.00009 . Lluvia


Lluvia

Lluvia

Lluvia

Lluvia

Lluvia vs TOM TOM = 0.01367 + 0.00006 . Lluvia


Lluvia vs PAT PAT = 0.03941 + 0.00016 . Lluvia


60


Para el cálculo del balance hídrico hiperanual, en elárea cársica, el término a definir es la infiltración eficaz.En tal caso, la ecuación general tiene la expresiónsiguiente:

LL = ET + R + I

y se toman las condiciones iniciales y de contorno:S = 0; R = I; D = LL - R = ET; Qe = 0; Qs = 0 y Qex = 0con todos los términos expresados en mm, siendo:S: Variación en el almacenamiento.R: Escurrimiento superficial.D: Déficit de escurrimiento.Qe: Caudal subterráneo de entrada por los límites delsistema.Qs: Caudal subterráneo de salida por los límites delsistema.Qex: Caudal subterráneo de salida por extracciones.I : Infiltración.LL: Lluvia.ET: Evapotranspiración real.

De este modo, I = LL - ET y, para LL = 2 078,6 y ET =1 108,1; I = 970,5 mm que equivale, aproximadamente, al47 % de la lluvia anual y al 56 % de la lluvia del períodohúmedo, estación en la que se produce la alimentaciónnatural mas importante.

Balance de clorurosEl valor de la recarga natural hiperanual fue

calculado, además por el balance de cloruros. En estesentido, de acuerdo con las referencias 29-34, se asumióuna concentración inicial (Co) en las aguas de lluvia de0,18 mEq/L, de manera que:

I = I/LL = Co/Ci(LL)

donde:Ci: Concentración de cloruros en las aguas subterráneas.

Los valores obtenidos se resumen en la tabla 3.Excluyendo el manantial El Güije, cuyas aguas solo

parcialmente se deben a la infiltración actual, la media dela lámina de anual de recarga natural es de 942,3 mm y de782,14 mm para la infiltración efectiva del período húmedo.De este modo puede aceptarse una lámina de infiltraciónpromedio entre 780 y 970 mm/a.

Hidrodinámica del sistemaLa hidrodinámica del carso local puede examinarse solo

de manera general, toda vez que no existen observacionessistemáticas del régimen de las aguas subterráneas en elterritorio. El análisis que sigue se basa en el procesamientode las curvas de agotamiento de caudal35-39 de los ríosCañas y Arroyo Grande. Los índices hidrodinámicos y losindicadores estadísticos de la recesión de los sistemasacuíferos se dan en las tablas 4 y 5 respectivamente.

Nota:n: Número de observaciones; a: Intercepto; b: pendiente; r: Coeficiente de correlación; r2: Coeficiente de determinación;LL : Lámina de lluvia mensual (mm); Q: Caudal fluvial mensual (lps).

BALANCE HÍDRICO. ESTIMACIÓNDE LA RECARGA NATURAL

Tabla 2Parámetros de ajuste mínimo cuadrático entre la lámina de lluvia mensual(mm) y el caudal fluvial observado (lps)

Río/Punto n r r2 LL Q

Cañas/El Naranjal 29 0,64 0,41159,3

DS=213,7CV=1,34

144,86DS=159,54

CV=1,10

Cañas/Patricio 34 0,41 0,17157,3

DS=199,5CV=1,36

60,9DS=54,43CV=0,89

Cañas/La Tomatera 31 0,55 0,30162

DS=208,5CV=1,29

19,0DS=16,32CV=0,86

Arroyo Grande/Tres Palmas 2 33 0,58 0,34157,75

DS=202,6CV=1,28

118,7DS=67,59CV=0,57

Arroyo Grande/Tres Palmas 1 34 0,77 0,59154,6

DS=200,3CV=1,29

91,18DS=49,8CV=0,55

61

L. F. Molerio

Tabla 3Recarga natural obtenida mediante blance de cloruros entre lasaguas subterráneas y las de lluvia

Localidad Co Ci I anual I per. húm. ∆I

Manantial Charco Azul 0,18 0,45 831,4 690,12 141,3

Poza del Venado 0,18 0,30 1 247,2 1 035,2 212

Manantial El Gallo 0,18 0,5 748,3 621,1 127,2

Manantial El Güije 0,18 11,0 34 28,2 6,2

Tabla 4Indicadores hidrodinámicos de la recesión de los sistemas acuíferos

Punto Período Qo Qt ∆t α Vo Vt ∆V to

Tres Palmas 1 86-87 0,101 0,057 202 0,002 8 3,12 1,76 1,34 357

87-88 0.091 0,029 152 0,007 5 1,05 0,33 0,71 133

88-89 0,49 0,060 180 0,005 2,57 1,04 1,52 200

Tres Palmas 2 86-87 0,093 0,075 60 0,0036 2,23 1,8 0,43 278

87-88 0,105 0,057 179 0,0034 2,67 1,45 1,22 294

88-89 0,209 0,066 180 0,0064 2,82 0,89 1,93 156

Tomatera 86-87 0,016 0,008 32 0,022 0,063 0,03 0,032 45

87-88 0,024 0,003 179 0,012 0,173 0,02 0,156 83

88-89 0,039 0,008 180 0,0088 0,38 0,08 0,3 114

Patricio 86-87 0,028 0,013 145 0,0053 0,456 0,21 0,24 189

87-88 0,088 0,005 179 0,016 0,475 0,03 0,45 63

88-89 0,132 0,016 147 0,014 0,815 0,09 0,7 71

Naranjal 86-87 0,077 0,032 145 0,006 1,11 0,46 0,64 167

87-88 0,124 0,007 152 0,0189 0,567 0,03 0,54 53

88-89 0,130 0,045 117 0,009 1,25 0,43 0,81 111

62


Subregímenes de agotamientoLos datos disponibles permiten argumentar

solamente acerca de un solo subrégimen deagotamiento, con muy suave pendiente, dominado porla red de agrietamiento del sistema, según se derivade los coeficientes de agotamiento y recesión,respectivamente.

Nota:Qo: Caudal inicial (m3/s); Qt: Caudal final (m3/s); ∆t: Duración de la recesión (días); α: Coeficiente de agotamiento; Vo: Volumeninicial en el sistema acuífero (hm3); Vt: Volumen final en el sistema acuífero (hm3); ∆V: Diferencia de volúmenes en el sistemaacuífero (hm3); to: Tiempo de renovación de las aguas (días); x: Valor medio; DS: Desviación estándar; CV: Coeficiente devariación.

Caudales iniciales y finalesComo promedio, la recesión termina al cabo de los 160

días y los caudales finales son 2,2 veces menores quelos iniciales. Para cada período de agotamiento examinadono puede definirse una relación de correspondencia precisasobre la duración de la recesión, aunque los valores mediosindican que aguas abajo el agotamiento es más breve(Punto Tres Palmas 2).

SUBSISTEMA ARROYO GRANDE

Tabla 5Indicadores estadísticos de la recesión de los sistemas acuíferos

Punto Índices Qo Qt ∆t α Vo Vt ∆V to

Tres Palmas 1 x 0,114 0,04957 178 0,0051 2,25 1,04 1,19 230

DS 0,031 0,017 25.1 0,0024 1,07 0,72 0,45 115

CV 0,27 0,35 0.14 0,46 0,21 0,69 0,36 0,5

Tres Palmas 2 x 0,136 0,066 140 0,0045 2,57 1,38 1,19 243

DS 0,064 0,009 68.9 0,0017 0,31 0,46 0,75 76

CV 0,47 0,14 0.49 0,38 0,12 0,33 0,63 0,31

Arroyo Grande x 0,124 0,05708 159 0,0048 2,41 1,21 1,19 236

DS 0,046 0,015 51 0,0019 0,73 0,57 0,55 87

CV 0,37 0,27 0.32 0,39 0,3 0,47 0,46 0,37

Tomatera x 0,026 0,006 130 0,014 0,21 0,04 0,16 81

DS 0,012 0,003 85 0,0069 0,16 0,03 0,14 35

CV 0,44 0,46 0.65 0,48 0,79 0,7 0,83 0,43

Patricio x 0,083 0,011 157 0,012 0,58 0,11 0,46 108

DS 0,052 0,006 19 0,0057 0,2 0,09 0,23 71

CV 0,63 0,5 0,12 0,48 0,35 0,83 0,49 0,66

Naranjal x 0,11 0,028 138 0,011 0,98 0,31 0,66 110

DS 0,029 0,019 19 0,006 7 0,36 0,24 0,14 57

CV 0,26 0,69 0,13 0,6 0,37 0,78 0,21 0,52

Río Cañas x 0,073 0,015 142 0,012 0,58 0,16 0,43 100

DS 0,048 0,014 46 0,005 8 0,4 0,18 0,26 51

CV 0,66 0,93 0,33 0,46 0,68 1,13 0,61 0,51

Tabla 5Indicadores estadísticos de la recesión de los sistemas acuíferos

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L. F. Molerio

Volúmenes iniciales y finalesEl subsistema presenta altos valores de

almacenamiento, según se deriva de la variación devolúmenes en el sistema. Entre los dos puntoshidrométricos existe, durante el agotamiento, un aportenotable de caudal, de manera que la red fluvial estotalmente de tipo efluente. Sin embargo, ello nosignifica un incremento en las reservas reguladoras delsistema.

El mecanismo de drenaje del sistema de grietaspresumiblemente posee, durante la recesión, unfuncionamiento alterno, de manera que las diferencias decaudal que se observan se deben solo al vaciado yllenado alternativo del sistema durante el estiaje. Elloexplica las diferencias en los volúmenes finalesalmacenados al terminar el período de agotamiento decaudales.

Reservas reguladorasLas reservas reguladoras promedio son del mismo orden

en los cierres de cálculo y resultan significativas, 1,2 hm3,que representan unos 40 lps en términos de rendimientoseguro del acuífero.

Tiempo de renovación de las aguasLos tiempos de tránsito de las aguas son del mismo

orden en ambos cierres, lo que explica, satisfactoriamente,la variabilidad de las reservas reguladoras del sistema. Larenovación total es del orden de los ocho meses, lo queexplica, además, su dependencia con el régimen de lluviasdel año precedente.

Subrégimenes de agotamientoEn este caso, también la información disponible permite

fundamentar solo un subrégimen de agotamiento pero que,a diferencia del anterior, presenta una pendiente muy fuerte,indicando la participación de cavernas en la organizacióndel escurrimiento subterráneo. Los valores de loscoeficientes de agotamiento y recesión así lo confirman.

Caudales iniciales y finalesComo promedio, la recesión finaliza a los 140 días. Sin

embargo, es casi 30 días más larga en el cierre intermedio(Punto Patricio), lo que indica una fuerte retención delsistema en este sector. Obsérvese que la exigua diferenciade 5 L/s al final de la recesión, entre este punto y el de LaTomatera, aguas arriba, representa un incremento devolúmenes finales de dos veces y medio. Aunque existe,sin dudas, un fuerte control de la componente dealmacenamiento provocada por un cambio brusco en elgradiente hidráulico, hacia valores más bajos, o unadisminución del diámetro efectivo de la red de drenajesubterráneo.

HOMOGENEIDAD Y AUTORREGULACIÓNDE LOS SISTEMAS ACUÍFEROS

SUBSISTEMA RÍO CAÑAS

Volúmenes iniciales y finalesComo consecuencia del carácter efluente de la red

fluvial, no ocurren pérdidas a lo largo del sistema quese reflejen en los caudales medidos en cada cierre.Los incrementos son notables entre los puntosextremos; sobre todo, al final de la recesión, dondeson hasta cuatro veces más altos en la estación ElNaranjal con respecto a La Tomatera. Sin embargo, elsistema llega a descargarse casi totalmente, perdiendocinco veces su caudal inicial en el breve período derecesión que experimenta.

Reservas reguladorasPor tal motivo, las reservas reguladoras del sistema

son pequeñas, de orden de los 14 L/s como máximo, entérminos de rendimiento seguro para todo el sistema. Noobstante, presentan una altísima variabilidad (CV = 0,61).El rendimiento óptimo se alcanza en el sector de ElNaranjal, donde los caudales base reciben unincremento de 11 lps respecto al drenaje de loshorizontes superiores.

Tiempo de renovación de las aguasEl tiempo de residencia de las aguas es muy pequeño,

del orden de los tres meses para todo el sistema y, engeneral, resulta inferior que el período de recesión. Elloindica una fuerte dependencia de la pluviometría interanualy, quizás, hasta de la que ocurre durante el propio períodode agotamiento.

En su conjunto, los sistemas acuíferos estudiadospresentan condiciones de baja heterogeneidad de laestructura del campo de propiedades físicas y,presumiblemente, una alta anisotropía de los índices detransporte de masas como la conductividad hidráulica yla porosidad. La menor heterogeneidad y anisotropía sereconoce en el subsistema drenado por el punto LaTomatera, en tanto la mayor heterogeneidad y anisotropíase reconoce en el subsistema Tres Palmas 2 (figura 7).

Las propiedades inerciales y reguladoras de los sistemasse ponen de manifiesto en los autocorrelogramas yespectros de densidad de varianza de las series decaudales de los puntos que monitorean, con paso detiempo mensual, la descarga en Arroyo Grande y el ríoCañas, y se muestran en las figuras 8-15.

Así, el subsistema Tres Palmas 2 muestra un descensorápido del coeficiente de autocorrelación de la serie(figura 8) , mostrando un efecto memoria, definido por elLímite de Andersen, alrededor de los tres meses. Por suparte, el espectro de densidad de varianza, para el períodoinvestigado (figura 9) muestra un filtrado completo de laseñal de entrada alrededor de los 2,5 meses, con un ciclotrimestral bien definido.

64


El autocorrelograma del Punto Tres Palmas 1 (figura 10),muestra una serie débilmente autocorrelacionada, de muybajo efecto memoria, del orden de los dos meses, y unpoder de regulación por debajo de este rango, donde elsistema, de muy bajas reservas, filtra completamentela señal de entrada en períodos de tiempo muy bajos(figura 11), indicativos de su baja capacidad dealmacenamiento.

Un comportamiento semejante se observa en lossubsistemas monitoreados por las estaciones del río Cañas.

En el caso del subsistema drenado por el punto LaTomatera, el autocorrelograma de caudales (figura 12)muestra un bajísimo efecto de memoria, del orden de los 30días y una capacidad de filtrado muy baja, inferior a los dosmeses (figura 13). Se observan, ciclicidades del orden delos 4,5, 2,7 y 2,1 meses, aproximadamente.

Min-Max25%-75%Median value

Gráfico Box & Whisker de los datos de caudal

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Q3P2 Q3P1 TOM PAT

Función de Autocorrelación

Punto Tres Palmas 2

(Errores estándar como estimados de ruidos blancos)

43.91 .0000

43.45 .0000

42.47 .0000

37.86 .0000

33.35 .0001

31.68 .0000

30.25 .0000

28.17 .0000

27.47 .0000

26.70 .0000

22.53 .0000

16.75 .0000

Q p

12 -.090 .1316

11 -.133 .1342

10 -.294 .1368

9 -.296 .1393

8 -.183 .1418

7 -.172 .1442

6 -.212 .1466

5 -.124 .1489

4 +.133 .1512

3 +.313 .1535

2 +.375 .1557

1 +.646 .1579

Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1

FIG. 7 Gráfico Box & Whiskerde las series de caudal (valoresen litros por segundo).

FIG. 8 Función deAutocorrelación deCaudales del PuntoTres Palmas 2

Punto Patricio, muestra un efecto memoria del ordende los 2,5 meses (fig.14) y un rápido filtrado de la señal deentrada (fig. 15) con una ciclicidad trimestral de respuestaa la señal de entrada. En todos los casos, se trata desistemas de muy bajo poder de regulación, escasasreservas, y muy bien drenados.

Los correlogramas curzados lluvia-caudal de cada unode los puntos monitoreados (figuras 16-19) confirman queel desfasaje entre la señal de entrada y la de salida; esdecir, entre los picos de la alimentación del sistema y losde salida son del orden de los 30 días para los PuntosTres Palmas 2, Tomatera y Patricio, no así para TresPalmas 2, que puede llegar hasta los dos meses.

Este comportamiento confirma, que sea este elsubsistema con las reservas más importantes.

(Errores estándares como estimados de ruidos blancos)

65

L. F. Molerio

Espectro de Densidad de Varianza de Caudales Punto Tres Palmas 2

Frecuencia

Esp

ectro

de

Den

sida

d

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 FIG. 9 Espectro de densidad de varianzade caudales. Punto Tres Palmas 2.

Función de AutocorrelaciónPunto Tres Palmas 1

11.13 .5177

9.58 .5683

9.48 .4868

7.33 .6029

6.11 .6345

5.07 .6511

4.92 .5541

4.72 .4511

4.72 .3174

4.70 .1949

4.65 .0979

2.86 .0911

Q p

12 -.164 .1316

11 -.042 .1342

10 -.201 .1368

9 -.154 .1393

8 -.145 .1418

7 +.056 .1442

6 -.066 .1466

5 -.004 .1489

4 -.019 .1512

3 +.036 .1535

2 +.208 .1557

1 +.267 .1579

Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1

FIG.10 Función de Auto-correlación de Caudales delPunto Tres Palmas 1.

Espectro de Densidad de Varianza de Caudales Punto Tres Palmas 1

Frecuencia

Esp

ectro

de

Den

sida

d

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 FIG. 11 Espectro de densidad de varianzade caudales. Punto Tres Palmas 1.

66


Función de AutocorrelaciónPunto Tomatera

19.55 .0761

18.49 .0710

17.69 .0605

15.56 .0767

14.33 .0736

13.70 .0568

9.58 .1437

7.86 .1640

7.59 .1076

7.58 .0555

6.61 .0368

5.88 .0154

Q p

12 -.136 .1316

11 -.120 .1342

10 -.200 .1368

9 -.155 .1393

8 -.112 .1418

7 -.293 .1442

6 -.192 .1466

5 -.077 .1489

4 +.015 .1512

3 +.152 .1535

2 +.133 .1557

1 +.383 .1579

Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1

FIG. 12 Función de Auto-correlación de Caudalesdel Punto Tomatera.

Espectro de Densidad de Varianza de las Series de Caudales Punto Tomatera

Frecuencia

Esp

ectr

o de

Den

sida

d

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5FIG. 13 Espectro dedensidad de varianza decaudales. Punto Tomatera.

Función de AutocorrelaciónPunto Patricio

31.43 .0017

31.36 .0010

31.28 .0005

30.10 .0004

30.08 .0002

29.58 .0001

27.62 .0001

22.76 .0004

17.80 .0014

16.62 .0008

16.22 .0003

12.63 .0004

Q p

12 -.036 .1316

11 +.038 .1342

10 +.148 .1368

9 -.022 .1393

8 -.100 .1418

7 -.202 .1442

6 -.323 .1466

5 -.331 .1489

4 -.165 .1512

3 +.097 .1535

2 +.295 .1557

1 +.561 .1579

Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1

FIG. 14 Función de Auto-correlación de Caudales. delPunto Patricio

67

L. F. Molerio

Espectro de Densidad de Varianza de las Series de Caudales Punto Patricio

Frecuencia

Esp

ectr

o de

Den

sida

d

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 FIG. 15 Espectro de densidad de varianza decaudales. Punto Patricio.

LLUVIA-Caudal Punto Tres Palmas 2

12 .2061 .2000 11 .2085 .1961 10 -.063 .1925 9 -.126 .1890 8 .0460 .1857 7 -.128 .1826 6 -.206 .1796 5 -.255 .1768 4 -.167 .1741 3 -.066 .1715 2 -.126 .1690 1 .1480 .1667 0 .6427 .1644 -1 .4216 .1667 -2 .2526 .1690 -3 .3058 .1715 -4 .0857 .1741 -5 -.107 .1768 -6 -.227 .1796 -7 -.139 .1826 -8 .0664 .1857 -9 .0251 .1890-10 -.052 .1925-11 .0597 .1961-12 .0946 .2000Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1

FIG. 16Correlación Cruzada Lluvia-Caudales Punto Tres Palmas 2.

LLUVIA-Caudal Punto Tres Palmas 1

12 .2802 .2000 11 .0118 .1961 10 -.040 .1925 9 .0106 .1890 8 -.020 .1857 7 -.087 .1826 6 -.125 .1796 5 -.257 .1768 4 .0047 .1741 3 -.114 .1715 2 -.192 .1690 1 .4549 .1667 0 .4100 .1644 -1 .4024 .1667 -2 .1999 .1690 -3 .0170 .1715 -4 -.021 .1741 -5 -.165 .1768 -6 -.172 .1796 -7 .0737 .1826 -8 .0260 .1857 -9 .0325 .1890-10 -.030 .1925-11 .0199 .1961-12 .0610 .2000Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1

FIG. 17 Correlación CruzadaLluvia-Caudales Punto TresPalmas 1.

68


La recarga natural más importante del sistema ocurre através de los campos de dolinas. La red fluvial instaladaen superficie, que ha contribuido al desmantelamiento yconjugación de las dolinas, ha drenado sistemas localesde flujo organizando una red efluente que reduce lasposibilidades de autorregulación de las unidades acuíferas,al funcionar como nivel de base permanente.

La decapitación de los sistemas acuíferos se manifiestaen la distribución de las formas de emisión de las unidadeshidrogeológicas. Favorecidas por los planos estructurales,el sistema -en su conjunto- y las diferentes unidadeshidrogeológicas locales que lo integran, descarganmediante numerosos manantiales de flujo difuso o

concentrado, escalonado o al nivel de base, complicando,de manera notable, la definición de los límites de talesunidades.

Gutiérrez y otros,40 realizaron un análisis hidroquímicodetallado de algunos puntos del sistema que sepresentan en la figura 20. Excluyendo las aguas delmanantial El Güije, la composición química indica quese trata de aguas cuyos constituyentes han sidoadquiridos en una zona de litología homogénea, conbajos tiempos de residencia, de manera que se tratade aguas de infiltración reciente. Las relaciones iónicasbásicas se presentan en la tabla 6.

LLUVIA-Caudales Punto Tomatera

12 .0587 .2000 11 .0912 .1961 10 -.072 .1925 9 -.047 .1890 8 -.018 .1857 7 -.242 .1826 6 -.026 .1796 5 -.180 .1768 4 -.193 .1741 3 -.128 .1715 2 -.112 .1690 1 .3354 .1667 0 .5452 .1644 -1 .2752 .1667 -2 .1817 .1690 -3 .2271 .1715 -4 -.014 .1741 -5 -.123 .1768 -6 -.277 .1796 -7 -.149 .1826 -8 .1045 .1857 -9 -.007 .1890-10 -.044 .1925-11 .1727 .1961-12 .1207 .2000Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1FIG. 18 Correlación Cruzada Lluvia-Caudales Punto Tomatera.

FIG. 19 CorrelaciónCruzada Lluvia-Cau-dales Punto Patricio.

CONDICIONES DE ABSORCIÓNY DESCARGA

HIDRODINÁMICA GEOQUÍMICA

LLUVIA-Caudales Punto Patricio

12 -.066 .2000 11 .1408 .1961 10 .0855 .1925 9 .2151 .1890 8 .2051 .1857 7 -.035 .1826 6 -.169 .1796 5 -.352 .1768 4 -.341 .1741 3 -.180 .1715 2 -.262 .1690 1 .2402 .1667 0 .5799 .1644 -1 .4110 .1667 -2 .4542 .1690 -3 .1811 .1715 -4 .0628 .1741 -5 -.133 .1768 -6 -.276 .1796 -7 -.196 .1826 -8 -.041 .1857 -9 -.069 .1890-10 .0079 .1925-11 .1095 .1961-12 .1998 .2000Lag Corr. S.E.

-1 -0.5 0 0.5 1

69

L. F. Molerio

En todos los casos las relación Mg/Ca es del mismoorden en Charco Azul y la Poza del venado, indicando lapresencia de rocas carbonatadas parcialmentedolomitizadas, cuya concentración es menor en El Gallo.En el manantial El Güije el incremento en la concentraciónpuede deberse a un mayor tiempo de residencia de lasaguas.

La relación K/Na se comporta con valores similares entodos los puntos, excepto en el Güije, donde parece estarasociada al incremento de salinidad. Un comportamientosimilar se deriva de las relaciones Na/Ca y Na/(Ca+Mg).

Por su parte, la relación Cl/HCO3 indica una fuerteconcentración de carbonatos en El Güije, que tambienhace descender el indice de cambio de bases (icb), aunquemanteniendo el mismo signo negativo, que indica lapresencia de las metamorfitas y metacarbonatos en elacuífero que drenan. La relación SO4/Cl, confirma estaaseveración.

Las relaciones Br/Cl y Sr/Ca son, nuevamente, delmismo orden en Charco Azul y la Poza del Venado,individualizando los manantiales El Gallo y el Güije comounidades independientes.

Tabla 6Relaciones iónicas básicas (en mEq/L)

RelaciónCharco

AzulPoza delVenado El Gallo El Güije

Mg/Ca 0,19 0,13 0,09 0,72

K/Na 0,063 0,063 0,071 0,008

Na/Ca 0,15 0,16 0,25 3,77

Na/(Ca+Mg) 0,13 0,14 0,23 2,19

Cl/HCO3 0,11 0,08 0,15 2,22

SO4/Cl 0,53 0,27 0,5 0,04

Br/Cl 0,71 0,67 0,4 0,14

Sr/Cl 0,03 0,05 2,85 1,8

Ca/Cl 7,16 10,0 5,6 0,27

(Na+K)/Cl 1,13 1,7 1,5 1,04

Índicede cambiode bases

-0,68 -0,7 -0,5 -0,04

FIG. 20 Gráfico de Schoeller modificadode algunos puntos de descarga de lasaguas subterráneas

0,1

1

10

100

1000

10000

HCO3 SO4 Cl Ca Mg Na K SiO2 SST

log

mg

/l

El Venado

Ch.AzulEl Gallo

El Güije

Los indices de similitud son superiores en Charco Azuly la Poza del Venado, indicando que sus zonas dealimentación y drenaje se estructuran bajo idénticospatrones de alimentación y organización del escurrimientosubterráneo que, como resultado, dan una hidrodinámicageoquímca muy semejante. Las condiciones son diferentesentre los otros dos puntos. Tanto en El Gallo como en ElGüije, los patrones de alimentación deben variar,incluyendo el efecto de aportes por drenaje lateral y mayorestiempos de residencia de las aguas.

El conocimiento hidrogeológico del territorio delComplejo Sanatorial de Topes de Collantes es, aun,incompleto. Los resultados de este trabajo solamentepermiten adelantar conclusiones preliminares acerca delentorno de valores del balance hídrico. El ordenamientode los recursos hidráulicos requiere del conocimiento dela composición, límites, relaciones mutuas y régimenhidrodinámico de las diferentes unidades hidrogeológicasque conforman los sistemas de flujo subterráneo delterritorio. Esto es todavía más importante al tratarse, enparte, de un territorio carsificado donde las relaciones entreel escurrimiento superficial y subterráneo son directas.Ello significa que cualquier aproximación a la regulaciónde los caudales fluviales desconociendo el compor-tamiento del acuífero puede incorporar problemas respecto

CONCLUSIONES

70


a la calidad y cantidad de los recursos hidráulicosdisponibles.

Por su cooperación en los trabajos de campo el autordesea expresar su agradecimiento a sus compañeros delGrupo de Aguas Terrestres del Instituto de Geofísica yAstronomía: M. Guerra y E. Rocamora así como a J. Gu-tiérrez de la Agencia de Medio Ambiente del Ministerio deCiencia, Tecnología y Medio Ambiente. También a C. Cas-tro, del Complejo Sanatorial de Topes de Collantes y aAna, mi compañera.

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RECONOCIMIENTOS

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Recibido: junio del 2003Aprobado: junio del 2003

El Proyecto Habana Ecopolis ...Programa de saneamiento y educaciónambiental que pretende contribuira la solución de los principales problemasde degradación del sistema urbanoen los barrios insalubres del MunicipioMarianao, Ciudad de La Habana

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