EVALUACIÓN DE LA DINÁMICA

EVALUACIÓN DE LA DINÁMICA DEL AGUA SUBTERRÁNEA EN LA ECOHIDROLOGÍA DEL HUMEDAL LAGUNA DE SONSO, VALLE DEL CAUCA-COLOMBIA

ASPECTOS METODOLÓGICOS

DISEÑO DE MALLA

Para este caso se segmentó el área a un tamaño de celda de 30 m en un área de 14310 m x 12511 m; por tanto se obtuvieron 477 columnas y 417 filas.

ASIGNACIÓN DE CONDICIONES DE FRONTERA

Método de flujo neto

LAGUNA:

Según Cevza Melek (2011) y Council (1999) el modelo Visual ModFlow puede también tomar en cuenta el intercambio de agua subterránea y agua superficial en cuerpos de agua como los humedales a través

de la condición de frontera

RIVER, dado que el desarrollo analítico conserva las mismas bases conceptuales.

RÍOS:

La batimetría y nivel medio de estos ríos fueron tomados del proyecto de modelación del Río Cauca (PMC, 2003) y las propiedades del lecho se tomaron de los análisis de granulometría del mismo proyecto referenciados por Márquez & Gutiérrez (2004).

Los ríos fueron representados por el módulo River el cuál es usado para simular el flujo de agua entre un acuífero y un cuerpo de agua superpuesto el cual es usualmente un río o un lago (Anderson & Woessner, 2002-pag 125).

SIMULACIONES PREDICTIVAS

SIMULACIONES PREDICTIVAS

Este ejercicio se abordó a partir de un modelo meta heurístico basado en datos con redes neuronales artificiales- RNA-.

Para ello se identificó la necesidad de instalar un dispositivo de captura automática de oscilación de nivel freático. El equipo específicamente es un sensor de nivel freático y un sensor barométrico para ajustar los efectos adicionales registrados a la carga hidráulica.

El proceso de entrenamiento de la RNA se realizó con el módulo nntool de Matlab 2011.

En estudios de AS se pudo encontrar en Coppola y otros (2005); Samani y otros (2007); Dandy y otros (2000), Daliakopoulos (2004), una RNA con arquitectura tipo retroalimentación (feedforward).

De igual forma se ha recomendado una arquitectura de 20 nodos en la capa de entrada y 3 nodos en la capa oculta. Las función de activación más comúnmente usada son las funciones sigmoidales tales como las logísticas y las tangentes hiperbólicas (Maier & Dandy, 2000).

RECARGA EN LA CUENCA DE CAPTACIÓN

Para cuantificar la recarga en un escenario de cultivo extensivo de caña de azúcar se implementó el software AquaCrop 4.0 (FAO, 2011), el cual cuenta con el modelo conceptual de balance de humedad del suelo que contabiliza día a día a partir de las condiciones de humedad antecedentes propiciadas por las características ambientales de la zona y el tipo de suelo; cuales son las necesidades de riego de un cultivo, así como la cantidad de agua que percola de manera profunda y aquella que es evapotranspirada.

DESARROLLO DEL PROCESO DE CALIBRACIÓN

La calibración de un modelo puede ser desarrollada en estado estacionario o estado transitorio. En ausencia de un registro largo de datos, puede ser apropiado dejar un promedio estacional de cargas hidráulicas en un año dado que representa la dinámica promedio en estado estacionario. La calibración en estado transitorio es recomendable cuando se tienen grandes fluctuaciones estacionales en los niveles de agua.

Algunas investigaciones realizadas por Marques & Gutiérrez (2004), en el valle geográfico del Río Cauca, han encontrado que los parámetros más sensibles o aquellos que contribuyen a la disminución del porcentaje de error son la conductividad hidráulica, la conductancia en frontera con cuerpos de agua superficial y la magnitud de la recarga. Según los mismos autores la variación en los parámetros de coeficiente de almacenamiento, almacenamiento específico, porosidad y tamaño de celdas, no presentaron una variación significativa para la zona centro del valle geográfico del Río Cauca.

DESARROLLO DEL PROCESO DE CALIBRACIÓN

SELECCIÓN DEL MÉTODO DE SOLUCIÓN MATRICIAL

En cuanto al análisis de sensibilidad, los valores calibrados para los parámetros seleccionados, son sistemáticamente cambiados dentro de un intervalo plausible previamente establecido.

Los efectos del cambio del parámetro sobre el valor medio porcentual de la métrica de error seleccionado como criterio de calibración (Anderson & Woessner, 2002).

Se seleccionó el método Waterloo Hydrogeological Software (WHS) el cual posee una rutina de aceleración de las condiciones límites en las ecuaciones de flujo de agua subterránea. Este método es uno de los mas rápidos y tiene una convergencia mucho mas suave los otros métodos.

Para alcanzar los objetivos propuestos se siguieron los pasos del protocolo de modelación de Anderson & Woessner (2002):

ASPECTOS METODOLÓGICOS

CAUDAL DE INTERCAMBIO RÍO-LAGUNA

Al hacerse un análisis del comportamiento estacional de los niveles del río con los promedios mensuales multianuales, estos “suavizan” los ingresos que se producen por crecientes subitas que se pueden presentar a nivel diario. Por tanto la cuantificación del tiempo de ingreso del Río Cauca a la Laguna para el balance hídrico se debe hacer con datos diarios.

CAUDAL DE INTERCAMBIO RÍO-LAGUNA

En ese orden de ideas,

las curvas de duración

de caudales se construyeron

para cada año (1985-2010)

para inferir el número de días

y el caudal promedio que

ingresa a la laguna en un

año típico.

RESULTADOS

ALGUNOS ELEMENTOS CONCEPTUALES

EVAPOTRANSPIRACIÓN

Dado que el buchón de agua no cuenta con estudios para esta zona del mundo respecto a coeficientes de uso consuntivo se trabajó con la ET potencial o de referencia del método FAO Penman Monteith.

PRECIPITACIÓN

CAUDAL TRIBUTARIOS

Por medio de los registros de aforos se procedió a identificar el CN de mejor ajuste para el conjunto de canales por medio del coeficiente de correlación y el R2.

Características Climáticas

DISPONIBILIDAD DE INFORMACIÓN

RESULTADOS LINÉAS DE FLUJO

RESULTADOS ANÁLISIS DE FLUJO NETO

RESULTADOS BALANCE HÍDRICO

Agua Subterránea = 0.11 m3/seg lo que representaria un 18.5 % del balance hídrico total.

CAUDAL DE INTERCAMBIO LAGUNA-RÍO-LAGUNA

Para el periodo Junio de 2009 a Marzo de 2010 con una conductividad hidráulica de 10 m/d) se obtuvo un caudal de entrada de AS de 0.7 m3/seg.

CAUDAL DE INTERCAMBIO LAGUNA-RÍO-LAGUNA

Con miras a seleccionar un año típico que permita cuantificar los caudales de interconexión a nivel diario, se ubicaron aquellas series cercanas a la curva Mediana (1985-2010).

Durante el periodo 2000-2005 la CVC determinó los caudales a la altura del limnimétro Caño Nuevo, con estos registros se procedió a calcular el coeficiente de descarga Cd´. Inicialmente se estimaron aquellos Cd´ en relación con el nivel observado y el caudal, seguidamente se evaluó la validez de cada Cd´ para el año 2004

Se calculó el porcentaje de tiempo de los 9496 días de la serie 1985-2010 de la estación Mediacanoa y se encontró que el 28% del tiempo (2658 días) el Río Cauca superó la cota 931.08 msnm (cota del trincho) e ingresó a la Laguna de Sonso. La serie 1985-2010 se desagregó a escala anual para poder apreciar el comportamiento de los niveles año tras año, por medio del método de Vogel (1994) se construyó la banda de confianza de la serie para identificar aquellos años considerados extremos. El rango de confiabilidad estuvo entre (5% y 95%).

R2=0.96

De este ejercicio se obtuvo que en particular el año 2003 ofrece condiciones aceptables para ser seleccionado año típico de la serie 1985-2010.

Porqué flujos locales?

Según Carrillo (2008) la identificación de la proveniencia de flujos regionales e intermedios debe realizarse por medio de metodologías que involucren pruebas físico-químicas.

RESULTADOS MODELO CONCEPTUAL

RESULTADOS MODELO CONCEPTUAL

RESULTADOS MODELO CONCEPTUAL

Porqué está investigación

se hace en periodo seco?

Con base a los registros geoeléctricos y a las perforaciones realizadas en la zona, se ha podido identificar que el acuífero de la gran fosa del Cauca cuenta con tres niveles bien definidos; esta diferenciación se pierde hacia el pie de monte de las cordilleras, es decir en los conos aluviales en donde se observa una sola unidad (Medina, 1994).

1.Dificultad de caracterizar el plano

de inundación.

2.Los posibles aportes de AS a la sostenibilidad del humedal son mas determinantes en un periodo seco.

PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN

OBJETIVOS

RESULTADOS MODELO NUMÉRICO

En este capítulo se expone una tercer aproximación metodológica para conocer los posibles aportes de AS a la laguna.

MOTIVACIÓN

En esta primera etapa de calibración del modelo se encontró un ensamble de parámetros en la zona 1 con conductividad hidráulica de 45 m/día y una Kz de 5 m/día.

ANTECEDENTES

Específicos

El humedal Laguna de Sonso es uno de los últimos relictos del ecosistema lagunar autóctono de extensión considerable que existe en el valle aluvial del alto Río Cauca.

¿ Se puede cuantificar el aporte neto de flujos locales subterráneos y su incertidumbre, para el sostenimiento de las condiciones eco-hidrológicas del Humedal Laguna de Sonso?

RESULTADOS MODELO NUMÉRICO

Dado que la magnitud de los parámetros de mejor ajuste no están reportados para esa región de la zona de estudio se procedió a verificar algunos elementos del modelo conceptual.

Desarrollar un modelo hidrogeológico conceptual a escala regional del área de estudio.

Zona 1 = Zona 2

Calcular el balance hídrico de la cuenca de drenaje del humedal como estimativo de referencia de los volúmenes aportados por aguas subterráneas a escala regional

Entre 1991 y 1992 Colombia estuvo expuesta una fase cálida del ENSO, el cual tuvo graves consecuencias en la hidroclimatología colombiana Durante este evento la Laguna de Sonso no mostró un declive drástico en sus niveles pese a que las dos principales entradas del sistema; el Río Cauca y la precipitación local, se mantuvieron por debajo de sus registros históricos

RESULTADOS MODELO NUMÉRICO

Lo que equivale a 0.65 m3/seg.

Simular el flujo de aguas subterráneas acuífero-humedal y realizar el análisis de incertidumbre de los parámetros del modelo numérico.

RESULTADOS SIMULACIONES PREDICTIVAS

Simular escenarios críticos por múltiples bombeos en pozos cercanos y su efecto en el abatimiento de los niveles freáticos cercanos al humedal.

El análisis de sensibilidad de la RNA permitió RNA identificar que la variable predictora de primer orden fue la prec. de la estación El Vinculo, luego le sigue la prec. de la estación Guayabito y finalmente la temperatura.

RESULTADOS SIMULACIONES PREDICTIVAS

El vector de precipitación media móvil del periodo 2009-2010 se ingresó en la RNA entrenada y se obtuvo que en general el nivel freático medio estuvo 50 cm por debajo del nivel freático en comparación con la respuesta del mismo en un año normal.

POR JUAN GEOVANY BERNAL PATIÑO

DIRECTOR:ING. LEONARDO DAVID

DONADO GARZÓN PHD

CONCLUSIONES

El flujo de agua subterránea hacía el humedal corresponde al mismo comportamiento hidrogeológico del acuífero libre multinivel del valle geográfico del Río Cauca.

A través de los tres métodos de evaluación se pudo observar un aporte de agua subterránea al humedal.

Estos aportes se encuentran entre 0.11 m3/s a 0.7 m3/s y el porcentaje de error acumulado puede ser hasta de un 30%.

Al anular la recarga por lluvias locales los aportes de agua subterránea se reducen en un 48%.

CONCLUSIONES

El modelo numérico permitió evidenciar que los flujos regionales e intermedios representan al menos un 52% del total del aporte de agua subterránea al humedal.

Al anular los aportes del paisaje de lomerio el aporte de agua subterránea se reduce en un 10%.

El modelo de RNA permitió observar que el período de humedecimiento del suelo y posterior percolación profunda respoonde a un rezago de 30 días.

CONCLUSIONES

Según el modelo de RNA en un periodo de variabilidad climática como el ocurrido en 2009-2010 el nivel freático medio se puede reducir hasta en 0.5 metros.

Las simulaciones predictivas en el Visual ModFlow permitieron observar que en condiciones de variabilidad climática y el bombeo simultaneo de 24 pozos durante 30 días consecutivos el aporte de agua subterránea al humedal se puede reducir en un 51%.

RECOMENDACIONES

Caracterizar la conductancia del lecho de la laguna.

Mantener el monitoreo en el Caño Nuevo, en la laguna y en la red de piezómetros.

Restringir la construcción de pozos menores a 200 metros en la cuenca de captación de la laguna.

FACULTAD DE INGENIERÍA ÁREA DE INGENIERÍA CIVIL

Y AGRÍCOLA MAESTRÍA EN INGENIERÍA DE RECURSOS HIDRÁULICOS