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Tendencias recientes en la
cuantificación de las tasas
de recarga de acuíferos
Por: Saul Montoya M.Sc.
Ene 2013
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Presentación hecha sobre las base de la publicación y apuntes de: Estimating Groundwater Recharge Rick Healy U.S. Geological Survey Denver, CO
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¿Porqué es importante la recarga subterránea?
• La tasa, distribución y localización de la recarga son importantes para una gestión eficiente de los recursos de agua subterránea, tanto en términos de abastecimiento de agua como de contaminación.
• Los modelos de flujo subterráneo requieren estimaciones de la recarga.
• Áreas de gran recarga son más susceptibles a la contaminación.
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Objetivos de la presentación
• Proveer el contexto teórico, los supuestos y los requerimientos lógicos de varios métodos para la estimación de la recarga.
• Discutir distintos casos de aplicación de diferentes métodos.
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¿Qué incluye la presentación?
• Revisión de los procesos de recarga de agua subterránea.
• Revisión de diferentes enfoques que están siendo usados para estimar la recarga.
• Resaltar algunos métodos con ejemplos.
• Conclusiones
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Terminología
• Recarga : movimiento del agua superficial al nivel freático
• Tasa de recarga: Flujo de agua de infiltración [L3/T] que llega al cuerpo de agua subterránea.
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Terminología
• Recarga Difusa: agua de precipitación infiltrada y
percolada hacia la zona no saturada, se produce relativamente uniforme en grandes áreas.
• Recarga Enfocada: se produce a partir de la infiltración de los cuerpos de agua superficiales, como ríos, lagos y embalses.
Nota: La actividad agrícola también produce recarga difusa o enfocada
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Terminología
• Infiltración: movimiento del agua de la superficie hacia el subsuelo. Puede percolarse gravitacionalmente o ser absorvida por las raices.
• Infiltración neta: Movimiento gravitacionalmente profundo del agua por debajo de la zona radicular. También referido como drenaje, percolación y recarga potencial.
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• Flujo pistón: flujo uniforme, únicamente advectivo, sin dispersión o mezcla. El avance del agua desplaza más agua.
• Flujo matriz – flujo teórico advectivo / dispersivo descrito por la ecuación de Richards y la ecuación de advección / dispersión.
• Flujo preferencial - flujo rápido, no uniforme, a través de vías preferenciales, evita la mayor parte de la matriz del suelo. Puede darse en discontinuidades o en cavidades de raíces.
Terminología
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Zona de Suelo
La zona de suelo se extiende desde la superficie hasta un máximo de un metro y esta relacionada con la profundidad de raíces.
20cm
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Porosidad Secundaria?
Roca sedimentaria
Amazonas
Direcciones Preferenciales
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Dificultades en la Estimación de la Recarga
• Las tasas pueden ser altamente variables espacialmente y temporalmente.
• Existe una incertidumbre inherente en todos los métodos de evaluación. Es difícil evaluar la exactitud de cualquier método.
• Los métodos pueden ser costosos y prolongados.
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Consideraciones en la selección del método
• Definir el modelo conceptual de Cómo, Cuándo y Dónde ocurre la recarga.
– Ocurre recarga difusa o enfocada?
• Establecer la escala espacial de estudio.
– Sitio de interés de un proyecto, cuenca, o región?
• Definir la escala escala temporal.
– Basado en eventos de precipitación, estacionalmente o anualmente, o histórica?
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• Presupuesto y período de estudio – Muy importante en la gestión de la evaluación.
• Consideraciones sobre los datos:
– Datos disponibles existentes?
– Tipos de datos a recopilar
• Climatológicos, flujos de agua superficial, mediciones en la zona no saturada, niveles de agua subterránea.
• Evaluar los supuestos para cada método
Consideraciones en la selección del método
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Zona no saturada
Tipos de Tensiómetros para la Medición de Humedad del Suelo
Curvas de “Frente Humedo” con
MODFLOW UFZ
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Métodos para la estimación de la recarga
• Métodos de balance hídrico.
• Métodos de modelamiento numérico.
• Métodos de trazadores.
• Métodos físicos de la zona no saturada.
• Métodos físicos de la zona saturada.
• Métodos basados en datos de agua superficial.
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Métodos de balance hídrico
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Balance Hídrico
• El balance hídrico ayuda a construir el modelo conceptual del proceso de recarga.
• Existen una diversidad de métodos.
• La mayoría de los modelos numéricos se basan en una ecuación del balance hídrico.
• El volumen de control del balance pueden ser acuíferos, cuencas, arroyos, zona de suelo, etc.
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Precipitación
Descarga localizada de agua
subterránea y almacenamiento
en depresiones
Transpiracion
Evaporacion
Infiltración
Escorrentía superficial
Interflujo Flujo de
agua
subterránea
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Distribución del Flujo
Distribución del Flujo en un Río en Escorrentía Superficial, Interflujo y Flujo Base
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P + Qon = ET + DS + Qoff
Ecuación del Balance de Agua para Cuencas
Las unidades son: • volumen por unidad de tiempo (L3 / T) - m3/año, Lt / día, o • volumen por unidad de área superficial por unidad de tiempo
(L / T) - m / día, mm / año.
P = precipitación + irrigación
Qon = flujo de entrada de agua
ET = suma de evaporación en el suelo desnudo, cuerpos de agua y la transpiración
DS = cambio en el almacenamiento de agua
Qoff = flujo de salida de agua
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Ecuación del Balance de Agua para Cuencas
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Qon = Qswon + Qgw
on ET = ETsw + ETgw + ETuz DS = DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw Qoff = Qsw
off + Qgwoff = RO + Qbf + Qgw
off
Subcomponentes a considerar
Donde: sw = aguas superficiales
gw = aguas subterráneas
uz = zona no saturada
snow = nieve
RO = escorrentía directa
Qbf = caudal base
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La ecuación de balance hídrico en una cuenca puede ser expresada como:
P + Qsw
on + Qgwon= ETsw + ETgw + ETuz +
DSsw + DSsnow + DSuz + DSgw + Qgwoff + RO
+ Qbf … (1)
La ecuación de balance hídrico de un acuífero se expresa en la ecuación:
R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgw
off - Qgw
on} ..(2)
Ecuaciones de Recarga
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Combinando las ecuaciones (1) y (2):
P + Qswon = R + ETsw + ETuz + DSsw +
DSsnow + DSuz + RO
Ecuaciones de Recarga
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Determinación de los componentes del balance hídrico – ET
• Medición mediante Métodos Micrométricos
– ET Actual
– Ratio de Balance de Energía de Bowen
– Correlación de Eddy
• Estimación mediante Métodos Climatológicos
– Evapotranspiracion Potencial (FAO Penman -Monteith
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Estación de Ratio de Balance de Energía de Bowen
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Sensores de Correlación de EDDY
Higrómetro de
Krypton (densidad de
vapor)
Anemómetro sónico
(vector viento,
temperatura)
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Determinación de los componentes del Balance hídrico – ET
• Mediciones ET Actual (real) - exactos, pero caros
• Las estimaciones de ET - sacrifica algo de precisión, pero ahorran tiempo y dinero mediante el uso de los datos existentes y software (Ref-ET)
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Avances recientes en la estimación de la ET
• GIS: facilita la aplicación de métodos de estimación en muchos sentidos.
• Herramientas de monitoreo remoto: No dan la medición directa de la ET, sin embrago las aplicaciones indirectas son muy útiles.
•
– Aumentan el número de redes de medición de la ET (MOD16).
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Ejemplo: Estudio del Balance hídrico en el noroeste de Illinois para estimar la recarga difusa.
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Ventajas de los métodos de balance hídrico
• El balance hídrico es universal – puede ser aplicado en cualquier lugar y escala temporal
• Flexible / Adaptable
• No requiere de supuestos inherentes del mecanismo del movimento del agua
• Abundancia de datos disponibles
• El balance hídrico provee las bases para evaluar otros métodos de evaluación de recarga.
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Limitaciones de los métodos de balance hídrico
• Por su enfoque residual, la precisión de la estimación de la recarga depende de la precisión en la determinación de los otros componentes.
• Se puede necesitar medir o estimar gran número de parámetros.
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Métodos de modelamiento numérico
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Métodos de Modelamiento
• Modelos de balance hídrico en la zona de suelo
• Modelos de flujo de agua subterránea – modelamiento inverso.
• Modelos de cuencas hidrográficas
• Modelos empíricos
• Técnicas de evaluación de gran escala
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Modelos de balance hídrico en zona de suelo
Ecuación del Balance:
D = P - ETuz - DSuz - RO
donde D es el drenaje
El tiempo de viaje de D al nivel freático:
– No depende del tiempo
– Sigue la ecuación de Richards
– Utiliza función de transferencia desde el fin de la zona radicular a la napa freática
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Un método de simulación transiente de la recarga de agua subterránea en el nivel freático profundo (Florida central)
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Modelos numéricos de flujo de agua subterránea
• Muy a menudo las estimaciones de recarga son solicitadas para mejorar la calibración de los modelos de flujo de agua subterránea.
• Los modelos numéricos realizan balances de agua de acuíferos.
• Los modelos son calibrados en sus parámetros (incluyendo recarga) para minimizar diferencias entre mediciones y simulaciones: MODFLOW. UCODE, PEST
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MODFLOW 2005 con Flujo en Zona no Saturada (UFZ)
• MODFLOW es el código para el modelamiento de aguas subterráneas en 3D basado en diferencias finitas desarrollado por el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS).
• MODFLOW simula en flujo estático y transitorio en un sistema acuífero irregular que puede ser confinado, no confinado, o mixto. El bombeo de pozos, recarga, evapotranspiración, drenes, lechos de rio también pueden ser simulados por MODFLOW.
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MODFLOW 2005 con Flujo en Zona no Saturada (UFZ)
• El nuevo paquete de MODFLOW-2005 llamado Paquete de Flujo en la Zona No Saturada (UFZ1) fue desarrollado para simular el flujo y almacenamiento en la zona no saturada y la partición de la infiltración en evapotranspiración y recarga.
• El paquete también calcula la escorrentía superficial a los ríos y lagos.
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MODFLOW 2005 con Flujo en Zona no Saturada (UFZ)
Curvas de “Frente Humedo”
Flujo en la zona no saturada acoplada con un modelo de aguas subterráneas
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Modelos hidrológicos de cuencas
• Modelos hidrológicos de balance hídrico en cuencas hidrográficas.
• Originalmente diseñados para simular los procesos de lluvia - escorrentía. Usos actuales incluyen simulaciones de la calidad de agua, y los impactos en el ecosistema (SWAT y Aquatox).
• Los modelos se enfocan en los cursos de agua o descargas. También brindan información de la evapotranspiración, almacenamiento de humedad del suelo, y el almacenamiento y recarga del acuífero.
• GSFLOW - combina el modelo de cuenca PRMS con MODFLOW.
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Diagrama esquemático de
USGS PRMS
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Modelos empíricos
Modelos empíricos basados en la extrapolación de valores de recarga conocidos son muy prácticos. • R = Constante x Precipitación
• Método de Maxey-Eakin: R = f(Precipitación y Elevación) • Ecuaciones de regresión relacionadas a las
características del agua y la cuenca.
Fáciles de usar – pueden ser aplicados en grandes áreas con herramientas de GIS.
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Método RRR y comparación con recarga de modelos de flujo de aguas subterráneas
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Métodos de Modelamiento para la Evaluación de la Recarga
• Modelos basados en procesos físicos pueden proporcionar información sobre los mecanismos de recarga.
• Los modelos tienen capacidad predictiva. Pueden evaluar el impacto de los cambios del clima o el uso del suelo en las tasas de recarga.
• Se puede simular la recarga enfocada o difusa.
• El análisis puede ser puntual o integrada en el tiempo.
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Métodos de trazadores
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Métodos de trazadores
• Químicos, isótopos y calor se transportan con el movimiento del agua subterránea.
• Las mediciones espaciales / temporales pueden utilizarse para inferir información sobre tazas y patrones de flujo del movimiento del agua subterránea.
• Los trazadores pueden ser rastreados en la zona no saturada, agua subterránea y agua superficial (UZ, GW, SW ).
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Trazadores ideales
• Conservativos
• Tasa de entrada conocida
• Puede ser medido con precisión y a bajo costo
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Tipos de trazadores
• Antropológicos:
– Br aplicado, Cl, colorantes, isótopos estables
– Eventos históricos - 3H, 36Cl, CFC, SF6
• De ocurrencia natural:
– Cl de precipitación
– Patrones de temperatura diarios / estacionales
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Trazadores de agua Subterránea
• Balance de masa del cloruro en la parte norte de Southern High Plains (Wood and Sanford, 1995)
yrmm
Lmg
Lmgyrmm
C
CPR
gwCl
PCl
/11
/2.25
/58.0/485
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N
0 50 100
M iles
Chloride (m g/l)
# 1 - 20
# 20 - 50
# 50 - 250
# 250 - 1000
# 1000 - 50000
Cloruros del agua
subterránea, Southern High
Plains
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Métodos de trazadores
• Pueden proveer información cuantitativa y cualitativa de la recarga tanto para recarga difusa como recarga enfocada.
• La estimaciones de las recargas son integradas durante cierto período de tiempo.
• Los análisis pueden ser caros.
![Page 55: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/55.jpg)
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Métodos físicos de la zona no saturada
![Page 56: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/56.jpg)
Zona no saturada – Métodos físicos
• Método plano de flujo cero.
• Método de Darcy.
• Lisimetría.
Generalmente proporcionan estimaciones puntuales en el espacio y el tiempo
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Métodos físicos de la zona saturada
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• Método de fluctuación del nivel freático.
• Método de Darcy/Hantush.
• Flujos netos.
• Análisis de serie de tiempo.
Zona saturada – Métodos físicos
![Page 59: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/59.jpg)
Método de fluctuación del nivel freático.
R = Sy Dh/Dt
Donde
Sy = rendimiento específico
Dh/Dt = cambio en la altura de la napa freática respecto del tiempo
Derivado de la ecuación del balance hídrico:
R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgwoff - Q
gwon}
![Page 60: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/60.jpg)
Consideraciones de su aplicación
• Determinar si el nivel freático es debido a la recarga.
• Estimar Sy – que en realidad varía con la profundidad del nivel freático y el tiempo de drenaje.
• Estimar la curva de recesión
![Page 61: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/61.jpg)
La línea punteada es la curva de recesión
![Page 62: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/62.jpg)
![Page 63: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/63.jpg)
Método de fluctuaciones del nivel freático
• Fácil de aplicar.
• Abundancia de datos del nivel del agua subterránea.
• Todas las fluctuaciones no son debido a la recarga.
• Es dificil de determinar un rendimiento específico.
• No prevé la recarga constante.
• Estimación puntual en espacio y tiempo
![Page 64: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/64.jpg)
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Métodos basados en
datos de agua superficial
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Métodos basados en datos de agua superficial
• Balance en los cursos de agua - “flujo de filtraciones“.
• Medición directa del cambio de flujo de agua / agua subterránea.
• Análisis de hidrogramas.
• Curvas de duración de caudal.
![Page 66: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/66.jpg)
Balance de corrientes de agua - “flujos de filtración” – centrada en
la recarga
Puntos de medición del agua
superficial.
Mediciones de caudal instantáneo
Qr= SQout - SQin
Métodos basados en datos de agua superficial
![Page 67: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/67.jpg)
Medidor Electromagnético de filtración
Rosenberry and Morin [2004]
![Page 68: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/68.jpg)
Métodos de análisis de hidrogramas
• La idea es cuantificar la parte del caudal que representa el flujo base.
– Separación manual
• Métodos computarizados
– Método de desplazamiento de la Curva de recesión - RORA [Rutledge, 1993, 1998, 2000, 2002, 2004]
– Método de ajuste de Curva - HYSEP [Slotto y Crouse, 1996]
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Análisis de Hidrográmas
• Recarga difusa / areal
• Flujo Base = recarga?
R = DSgw + Qbf + ETgw + {Qgwoff - Q
gwon}
• No hay contribuciones del almacenamiento superficial
• Los registros diarios de caudal son por un largo período
• Regulación mínima o de las desviaciones
• Límites del acuífero = cuenca?
![Page 70: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/70.jpg)
Hidrograma de caudal diario separado con RORA, (Rutledge, AT,
1998, WRIR98-4148 fig. 13)
![Page 71: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/71.jpg)
Distribución del Flujo
Distribución del Flujo en un Río en Escorrentía Superficial, Interflujo y Flujo Base
![Page 72: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/72.jpg)
Estimación de la recarga usando las curvas de duración de caudales
Importancia de la
pendiente:
Pendiente
Empinada : no se
almacenan en la
cuenca
Pendiente Suave :
almacenamiento
de agua
subterránea
![Page 73: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/73.jpg)
Métodos de datos de agua superficial
• Las estimaciones de la recarga enfocada pueden ser estimaciones puntuales en el tiempo y en el espacio
• Las estimaciones de la recarga difusa se pueden integrar en escalas largas de tiempo y espacio
![Page 74: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/74.jpg)
Métodos de datos de agua superficial
• Escasez de datos disponibles.
• Herramientas (programas computacionales) están disponibles.
• Muchas de los supuestos necesitan ser analizados.
![Page 75: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/75.jpg)
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Selección de Método
![Page 76: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/76.jpg)
Selección del método
• Modelamiento conceptual del sistema hidrológico, incluyendo un balance hídrico preliminar.
• Evaluar los planteamientos de los métodos.
• Conocimiento de los datos existentes: clima, niveles de agua subterránea, descarga de flujo.
• Conocimiento de herramientas existentes – modelos, instrumentación, programas computacionales.
![Page 77: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/77.jpg)
Selección del método
• Aplicar tantos métodos como sea razonable.
• Estos métodos pueden ser aplicados usando data existente:
– Métodos de balance hídrico
– Método de fluctuaciones del nivel freático.
– Análisis de histogramas de flujos.
– Análisis de la curva de duración de caudales.
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Avances recientes en la estimación de la recarga
• Métodos no necesariamente nuevos.
• Mejora de los instrumentos y técnicas de medición
– Métodos de análisis de laboratorio
– Gases disueltos
– Los sensores que se pueden implementar en el campo
– Nivel del agua
– Temperatura - STD
– Sondas específicas para conductancia
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Avances recientes en la estimación de la recarga
• Mejora de los instrumentos y técnicas (cont.)
– Técnicas geofísicas: Gravedad, EM, radar de penetración en el suelo
– Teledetección: Método de Balance hídrico
• Mejora de la accesibilidad de los datos a través de Internet - GW, SW, clima, suelos
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Avances recientes en la estimación de la recarga
• Mejora de las herramientas de análisis de datos:
Modelos • Modelos numéricos • Modelos de flujo combinado agua superficial
/ subterránea
GIS Programas computacionales
• Datos de Aguas Subterráneas • Datos de Agua superficial
![Page 81: Tendencias recientes en la cuantificación de las tasas de recarga de acuíferos](https://reader035.vdocumento.com/reader035/viewer/2022062304/559e9db81a28abde048b46cf/html5/thumbnails/81.jpg)
Tendencias recientes en la
cuantificación de las tasas
de recarga de acuíferos
Por: Saul Montoya M.Sc.
Ene 2013