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MODELAMIENTO DE ACUIFERO PRIORIZADO DE LA ZONA FRANCA EN CUENCA ALTA DEL RÍO BOGOTÁ
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN 2
2. MODELO NUMERICO ACUIFERO PRIORIZADO ZONA FRANCA 3
2.1 PLATAFORMA MODELMUSE 3
2.3 DISTRIBUCIÓN DE CAPAS HIDROGEOLÓGICAS 6
2.4 PROPIEDADES HIDROGEOLÓGICAS 7
2.6 SIMULACIÓN DEL MODELO 12
1. INTRODUCCIÓN
De acuerdo con el plan de trabajo expuesto en los estudios previos se trabajó en la
modelación numérica de la cuenca priorizada Zona Franca. Se procedió a migrar el
modelo conceptual de la zona de estudio elaborado en los informes anteriores al
modelo numerico utilizando el código de programación para aguas subterráneas
MODFLOW elaborado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS). Se
utilizó además la plataforma ModelMuse que se basa en el código MODFLOW.
El primer paso para la migración de parámetros hidrogeológicos al modelo numérico
es definir o diseñar la grilla que será súper – impuesta al área de estudio, en este
caso el acuífero Cuaternario de Terraza Alta (Qta) por medio del método de
“enclosed cells”. Se tomó como referencia el área de estudio de los depósitos
cuaternarios de Terraza Alta (Qta) que es de aproximadamente 133 km2. Esta
extensión determinó que se tomara una grilla de tamaño de celda 200 m x 200 m,
145 filas y 59 columnas debido al área y al propósito de simulación.
En cuanto a las propiedades hidráulicas, el rango de valores de conductividad
hidráulica (K) tenidos en cuenta varían entre 1 x 10 -4 a 1 x 10 -7 m/d. Se realizaron
simulaciones para 10 diferentes conductividades hidráulicas (K), teniendo un mejor
comportamiento valores de K de 1 x 10-5 m/d. la conductividad hidráulica en la
dirección y (Ky) se asume como la misma Kx y la conductividad hidráulica en la
dirección z (Kz) es generalmente la decima parte de Kx.
Con base en los límites de frontera físicos e hidráulicos evaluados en los informes
anteriores se escogió la condición de frontera CDH en ModelMuse que representa
el límite de frontera de cabeza hidráulica o potencial hidraulico específico para
límites hidráulicos y niveles piezometricos. En el caso de los límites físicos
determinados en informes anteriores se determinaron límites de celdas activas e
inactivas.
Este modelo numérico representa las características hidrogeológicas simuladas de
pocos datos de campo, por lo tanto, es necesario registrar mas datos de pozos
piezometricos y pruebas de bombeo para determinar con mayor exactitud
propiedades como conductividad hidráulica (K), así mismo se debe tener mayor
información de campo de la interacción entre los ríos Bogotá y Teusacá y los
depósitos cuaternarios (Qta) con pruebas de bombeo cercanasa los ríos y registros
de niveles piezométricos dentro de los ríos.
2. MODELO NUMERICO ACUIFERO PRIORIZADO ZONA FRANCA
La migración del modelo conceptual de la zona franca elaborado en los informes
anteriores al modelo numerico se realizó utilizando el código de programación para
aguas subterráneas MODFLOW elaborado por el Servicio Geológico de los Estados
Unidos (USGS). Pese a que este código es utilizado para simular aguas
subterráneas la plataforma es compleja para el usuario final, por lo tanto se utilizó
una plataforma mucho más fácil de utilizar basada en el código MODFLOW, la
plataforma se denomina ModelMuse cuya ventaja es que es un software libre pero
con las mismas características de MODFLOW.
2.1 Plataforma ModelMuse
ModelMuse utiliza el método de Diferencias Finitas (DF) y que resuelve ecuaciones
de flujo mediante una grilla super – impuesta en el área de estudio en el que se
ubican nodos (i,j) que representan el potencial hidráulico (h). La naturaleza de la
grilla y la manera en la cual las propiedades hidráulicas son asignadas depende del
arreglo de los nodos, es decir, si estos están dispuestos en el centro de cada celda
de la grilla o en cada esquina de la grilla.
Esta grilla es utilizada por ModelMuse como filas y columnas (h,j) y cuyo origen esta
establecido en la parte superior izquierda (figura 1). En el menú principal ModelMuse
utiliza una grilla en la que se puede visualizar el modelo en 2D y 3D (figura 2).
Figura 1. Grilla utilizada por ModelMuse en el que el origen esta establecido en la esquina superior
izquierdo.
Figura 2. Menú principal ModelMuse con visualización del modelo en 2D y 3D.
La plataforma ModelMuse, sin embargo necesita el código de programación
MODFLOW además de otro tipo de paquetes que serán necesarios para simular
por ejemplo trayectoriade particulas, balance hídrico, etc. Estos paquetes son
descargados de la página del USGS e instalados en ModelMuse (figura 3).
Figura 3. Localización de programas instalados en plataforma ModelMuse para simulación de aguas subterráneas.
2.2 Dimensiones del Modelo y Diseño de Grilla
El primer paso para la migración de parámetros hidrogeológicos al modelo numérico
es definir o diseñar la grilla que será súper – impuesta al área de estudio, en este
caso el acuífero Cuaternario de Terraza Alta (Qta) por medio del método de
“enclosed cells”. Se tomó como referencia el área de estudio de los depósitos
cuaternarios de Terraza Alta (Qta) que es de aproximadamente 133 km2. Esta
extensión determinó que se tomara una grilla de tamaño de celda 200 m x 200 m,
145 filas y 59 columnas debido al área y al propósito de simulación (figura 4).
Figura 4. Diseño de grilla 200 x 200 con 145 filas y 59 columnas.
2.3 Distribución de Capas Hidrogeológicas
El modelo fue dividido en una capa teniendo en cuenta la litología y características
hidrogeológicas de la zona de estudio. La primera capa representa el acuífero libre
compuesto por depósitos constituidos por arcillas, arenas y gravas. Su morfología
es plana con ligeras ondulaciones, corresponde con la expresión morfológica del
relleno lacustre de la Sabana de Bogotá se tomó un espesor promedio de 80 m
según los estudios del servicio Geológico Colombiano (Estudio Hidrogeológico en
la periferia de Bogotá, Ingeominas EAAB, 1996). La capa inferior fue considerada
como el límite del modelo la cual representa celdas inactivas.
2.4 Propiedades Hidrogeológicas
En cuanto a las propiedades hidrogeológicas se determinó una conductividad
hidráulica (K) promedio ya que no existe suficiente información de pruebas de
bombeo a lo largo del área de estudio que represente las características hidráulicas
del cuaternario Terraza Alta (Qta).
Para los depósitos de Terraza Alta se tomó un valor promedio debido a la alta
heterogeneidad de los depósitos compuestos por arcillas, arenas y gravas. La tabla
1 muestra un amplio rango de valores de conductividad hidráulica (K) de diferentes
materiales geológicos.
El rango de valores de K tenidos en cuenta varía entre 1 x 10 -4 a 1 x 10 -7 m/d. Se
realizaron simulaciones para 10 diferentes conductividades hidráulicas (K), teniendo
un mejor comportamiento valores de K de 1 x 10-5 m/d. la conductividad hidráulica
en la dirección y (Ky) se asume como la misma Kx y la conductividad hidráulica en
la dirección z (Kz) es generalmente la decima parte de Kx.
Tabla 1. Rango de Conductividades Hidráulicas de diferentes materiales.
Valores de Evapotranspiración fueron tomados del balance hídrico realizado para la
cuenca priorizada de la Zona Franca con un valor anual de 710 mm.
Valores de recarga fueron tomados con base en los cálculos realizados por el
estudio del ERA que utiliza la infiltración y la multiplica por el área:
R = I + Área Estudio.
Donde
R: Recarga
I: Infiltración anual.
R = 723 * 132684606 m2
R = 96 x 106 m3 / año
Se debe tener en cuenta en este caso que los valores de recarga son menores a
los calculados debido a que no toda la infiltración se convierte en recarga, para este
caso se debe realizar un calculo de recarga potencial que proporcione valores más
reales.
2.5 Límites de Frontera
Con base en los límites de frontera físicos e hidráulicos evaluados en los informes
anteriores se escogió la condición de frontera CDH en ModelMuse que representa
el límite de frontera de cabeza hidráulica o potencial hidraulico específico para los
límites hidráulicos analizados en el informe 6 (figura 5).
Figura 5. Limites de Fronteradel Modelo, CDH, Limites celdas activas y Drenaje.
Para los Límites de frontera hidráulicos en este caso CDH se tomaron cabezas o
Potencial Hidraulico calculados en base a la tabla 1 y la figura 4 del informe 6. Estos
valores son consignados en la tabla 2.
LÍMITE HIDRAÚLICO
BASE CUATERNARIO
(QTA)
COTA NIVEL ESTÁTICO (m)
NIVEL PIEZOMETRICO
(m)
POTENCIAL HIDRÁULICO
1 2490 2569 14 65
2 2490 2569 17 62
3 2490 2570 23 57
4 2490 2551 22 39
5 2490 2558 14 54 Tabla 2. Valores de potencial Hidráulico para los Límites Hidraulicos.
Se incluyeron los pozos escogidos para la realización de la red de flujo y que
pertenecen a la red de monitoreo de la Sabana de Bogotá, estos fueron
caracterizados como limites de frontera de cabeza hidráulica o potencial
hidraulico específico (CDH) (Tabla 3).
Pozo o Punto CDH
Cota de Nivel
estático (msnm)
Nivel Piezométrico
(m)
Base Cuaternario
(Qta) (m)
POTENCIAL HIDRÁULICO
(m)
A 2569 9.7 m 2490 69
A´ 2569 16 m 2490 63
B 2569 5.7 m 2490 73
B´ 2565 19.2 m 2490 55
C 2570 5,02 2490 75
C´ 2560 23,1 2490 47
D 2574 9,3 2490 74
D´ 2561 18,2 2490 52
E 2574 14,8 2490 69
E´ 2551 33 2490 28
F 2555 19,06 2490 46
F´ 2558 24,01 2490 44 Tabla 3. Valores de potencial Hidráulico para puntos CDH
Figura 6. Puntos CDH o pozos escogidos de la red de monitoreo CAR.
Los ríos Bogotá y Teusacá fueron determinados inicialmente como límites de
drenaje con una conductancia de 0.001 (L2/T, Longitud sobre tiempo al cuadrado).
Este valor de conductancia se escogió debido a los materiales con los que se
compone la base de los ríos Bogotá y Teusacá como arcillosos a limosos. Sin
embargo, no tuvieron influencia en los potenciales hidráulicos, por lo tanto los ríos
Bogotá y Teusacá fueron caracterizados como límites de frontera de rio. Se
consideró inicialmente el valor de conductancia de 0.001 pero el valor fué muy
elevado y produjo potenciales hidráulicos muy altos por lo que se simularon varios
valores de conductancia llegando a un valor más coherente de 0.0001 (L/T2)
2.6 Simulación del Modelo
Se corrió el modelo teniendo en cuenta la poca información de campo para el área
de estudio. Este modelo se consideraría regional, sin embargo, se incluyeron datos
de niveles piezometricos aunque estos siguen siendo escasos.
El modelo inicialmente produjo errores debido a que no había convergencia entre
los datos de entrada al sistema y los datos de salida, se procedió a modificar la
conductividad hidráulica K en los rangos 1 x 10 -4 a 1 x 10 -7 m/d.
El modelo finalmente tuvo una convergencia al ingresar el valor de conductividad
hidráulica de 1 x10-5 m/d. Los datos de conductancia de los ríos no fueron relevantes
para determinar una infuencia de estos cuerpos de agua y los potenciales
hidráulicos de los pozos (figura 7). Se procedió a representar a los Rios Bogotá y
Teusacá como límites de frontera de río en lugar de drenaje, en este caso se
procedió a ingresar valores de nivel de río (stage) en un rango entre 1 y 3 metros,
el valor que más se ajustó es de 1 metro. Cuando se corrió el modelo los nivelesde
potencial hidráulico fueron influenciados por los ríos Bogotá y Teusacá (figura 8).
Los resultados mostraron un porcentage de discrepancia cercano a 0 lo que indica
que hay convergencia entre los datos de entrada y salida al modelo (figura 9).
Figura 7. La figura a representa la parte superior norte y la figura b representa la parte inferior sur de la zona de estudio.
Figura 8a. Parte superior norte del modelo que muestra una influencia del Río sobre los potenciales hidrpaulicos de los pozos.
Figura 8a. Parte inferior sur del modelo que muestra poca influencia del Río sobre los potenciales hidrpaulicos de los pozos.
Figura 9. Grafica de convergencia del modelo de los depósitos cuaternarios (Qta).
Este modelo numérico representa las características hidrogeológicas simuladas de
acuerdo a la escasez dde datos de campo como niveles piezometricos, es necesario
registrar mas datos de pozos piezometricos y pruebas de bombeo para determinar
con mayor exactitud propiedades como conductividad hidráulica (K), así mismo se
debe tener mayor información de campo de la interacción entre los ríos Bogotá y
Teusacá y los depósitos cuaternarios (Qta) con pruebas de bombeo cercanasa los
ríos y registros de niveles piezométricos dentro de los ríos.
Otro aspecto a tener en cuenta es la profundidad de captación de los niveles
piezométricos ya que muchos de ellos no registran un cuerpo litológico determinado
o un espesor definido sino que registran varios estratos permeables al mismo tiempo
esto desestima la exactitud en los datos registrados que representan las
propiedades de conductividad hidráulica de los depósitos cuaternarios (Qta).