SOCIEDAD CHILENA DE INGENIERIA HIDRAULICA

XVIII CONGRESO CHILENO DE HIDRAULICA

EVALUACIÓN DEL IMPACTO DE LA EXPLOTACIÓN DE ACUÍFEROS EN EL FLUJO SUBTERRÁNEO EN LA ZONA DE “EL PASO” EN COCHABAMBA,

BOLIVIA

MAURICIO ROMERO M.1 GABRIELA MERCADO G.2

RESUMEN En el presente trabajo se estudia el impacto de la explotación de las aguas subterráneas en régimen permanente, en el comportamiento del flujo y la piezometría existentes en la zona de “El Paso”, ubicada a 16 Km al Noroeste de la ciudad de Cochabamba, Bolivia, siendo el principal sitio de explotación de recursos acuíferos en el Departamento del mismo nombre. Para ello, se implementaron cuatro escenarios hipotéticos de extracción de agua para riego y agua potable por medio de diversas configuraciones de pozos de bombeo y se simuló el flujo subterráneo para cada escenario por medio del paquete Visual MODFLOW, el cual fue previamente calibrado y validado para la zona de estudio. Los resultados obtenidos muestran que se tienen tres escenarios en los que la extracción de agua de los pozos propuestos no altera significativamente el comportamiento del flujo subterráneo, en tanto que se evidencian indicios de sobre-explotación en el escenario restante. La metodología aquí aplicada resulta ser de gran utilidad como ejemplo práctico de la evaluación de una explotación racional y sostenible de las aguas subterráneas en la región. _________________________ 1Ingeniero Investigador, LHUMSS, Univ. Mayor de San Simón, Cochabamba, Bolivia - mail: m.romero@lh.umss.edu.bo 2 Ingeniera, LHUMSS, Univ. Mayor de San Simón, Cochabamba, Bolivia - mail: lhumss@lh.umss.edu.bo

1. INTRODUCCIÓN Las aguas subterráneas se constituyen en la principal fuente de abastecimiento para consumo humano del planeta, donde el agua dulce esta constituida por el hielo polar en un 60%, al agua subterránea en un 30% y el agua de los ríos y lagos en un 0.3% (Chin, 2000). En la actualidad, si bien ese ha logrado tener una mejor comprensión de la importancia que tienen las aguas subterráneas como fuente de abastecimiento de las necesidades de los seres vivos, existe el problema de estimar la cantidad segura de agua que se puede extraer por medio de la explotación de los pozos, ya sea por bombeo o por flujo artesiano a expensas del almacenamiento. Por lo tanto, debe evitarse que se produzca un agotamiento de las valiosas reservas subterráneas, por lo que la conservación y utilización eficiente de los depósitos naturales se constituyen en dos de los principales problemas de la situación actual, cuya resolución es de urgencia inmediata. Actualmente, el Departamento de Cochabamba padece de una sequía prolongada, por lo que las políticas de captación de aguas tanto para el consumo de la población como para la agroganadería industrial, están dirigidas a la zona de los Valles Bajos del Departamento, conformada por las provincias de Capinota, Sipe-Sipe, Tiquipaya y Quillacollo, donde en esta última se encuentra la zona denominada “El Paso”, ubicada a 16 Km al Noroeste de la Ciudad de Cochabamba (ver Fig. 1), la cual presenta muy buenas potencialidades acuíferas, además de una interesante configuración hidrogeológica (SEMAPA et al., 1994). Por lo visto anteriormente, se considera que esta zona es una opción para la solución al problema de la carencia de agua del Departamento. Sin embargo, se desconoce hasta que punto se pueden aprovechar sus recursos acuíferos, sin llegar a la sobre-explotación de los mismos. En consecuencia, el presente trabajo estudia el impacto de la explotación de las aguas subterráneas en el flujo y la piezometría en esta zona, por medio de la simulación de cuatro escenarios de extracción para riego y agua potable en régimen permanente con el paquete Visual MODFLOW, el cual ha sido previamente calibrado y validado. 2. VISUAL MODFLOW El modelo de simulación de flujo de aguas subterráneas Visual MODFLOW fue desarrollado por el U. S. Geological Survey (MacDonald y Harbaugh, 1988; 1996). El programa fue implementado en 1980 y ha sido continuamente modificado con el desarrollo de muchos paquetes y programas relacionados con el estudio de las aguas subterráneas. Este programa es comúnmente utilizado para la simulación del comportamiento de las aguas subterráneas sobre la base del método de las diferencias finitas en 1, 2 ó 3D. En este método, se divide el acuífero por medio de una malla en bloques rectangulares (ver Fig. 2), los cuales se organizan en filas, columnas, y capas, denominándose a cada bloque “celda”.

0=+zv

xv zx

∂∂

∂∂

xhkikv xxxx ∂∂

==

zhkikv zzzz ∂∂

==

Fig. 1. Imagen Landsat del sitio de estudio y delimitación de la zona a modelar En el modelo, se solucionan la ecuación de de flujo permanente en un punto dado en un volumen de suelo y la Ley de Darcy. Para una celda determinada o volumen de control con dimensiones dx, dy y dz (Fig. 2), la ecuación de continuidad del flujo se escribe como (Boonstra y de Ridder, 1981):

(1) Donde vx y vz son los componentes de la velocidad de descarga, en las direcciones horizontal y vertical respectivamente. Por otra parte, las ecuaciones de Darcy en las mismas direcciones vienen dadas por:

(2)

(3)

Donde kx, kz, ix e iz son los coeficientes de conductividad hidráulica y gradientes hidráulicos en las direcciones horizontal y vertical respectivamente, h es la altura piezométrica o potencial, dependiendo si se trata de un acuífero freático o confinado.

02

2

2

2

2

2

=+∂∂

+z

hkyhk

xhk zyx ∂

∂∂∂

Fig. 2. Flujo a través de una celda o volumen de control (Boonstra y de Ridder, 1981) Si el suelo es anisotrópico con respecto a los coeficientes de conductividad hidráulica, se considera que kx ≠ ky ≠ kz. Por lo tanto, la ecuación de continuidad para flujo tridimensional se simplifica a:

(4)

La ecuación (4), conocida como la ecuación de La Place para flujo potencial, es aplicable para condiciones de flujo estacionario o permanente en un medio poroso saturado (Todd, 1976). En el modelo, el tránsito de flujo permanente puede ser simulado en acuíferos no confinados y confinados. Una variedad de características y procesos tales como ríos, corrientes de flujo, drenes, vertientes, reservorios, pozos, evapotranspiración y recarga de precipitación e irrigación pueden ser representados paralelamente (MacDonald y Harbaugh, 1996). La solución numérica consiste en verificar los niveles de agua subterránea o cargas en cada celda del sistema, en los llamados intervalos de tiempo. Estos niveles de agua son utilizados comúnmente para construir mapas de piezometría con la finalidad de compararlos con mapas similares de datos observados en campo. 3. IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO Se obtuvo información referente a hidrología e hidrogeología de la zona de estudio. Se elaboraron mapas de conductividad hidráulica, almacenamiento específico, producción específica, porosidad efectiva total de los estratos, piezometría observada en la zona de estudio, evapotranspiración y recarga del sistema.

El trabajo de campo consistió en la ubicación, georeferenciación e inventariación de pozos de extracción, además de campañas de medición de niveles y caudales en los mismos y la ejecución de algunas pruebas de bombeo y recuperación (ver Fig. 3). Se inventariaron 371 pozos perforados en la zona de estudio. Del total, el 87% tiene datos de usos de agua, el 70% cuenta con caudales de explotación y solo un 38% dispone de información de horarios de bombeo. Por otra parte, se tiene que el 26% de los pozos registrados cuenta con datos de transmisividad, el 18% posee datos de conductividad hidráulica y tan solo un 11% de ellos tiene valores de coeficientes de almacenamiento.

Fig. 3. Medición de nivel estático y vista de pozo de observación en la zona de estudio A manera de ilustración, la Fig. 4 muestra los mapas de transmisividad de un estudio anterior y el obtenido por el presente estudio.

Fig. 4. Mapa de transmisividades de la empresa BRGM (SEMAPA et al., 1994) y el obtenido por el presente estudio

CORTE A-A A

A

Para la fase de calibración, se implementó una malla rectangular de 10,000 elementos de 142 m x 142 m, cubriéndose un área de modelación efectiva de 84.73 Km2. En el eje vertical, se representaron 11 capas horizontales con espesores variables, de acuerdo a las características litológicas encontradas en los pozos, longitud de filtros y las formaciones geológicas del lugar, abarcando una profundidad de simulación promedio de 500 m. Se consideró isotropía en las conductividades hidráulicas horizontales (kx = ky), en tanto que verticalmente, se asumió que la conductividad hidráulica vertical kz es un 10 % de kx, según se discute en Custodio y Llamas (1976) y Heath (1983). A manera de ilustración, la Fig. 5 presenta la distribución espacial de las conductividades hidráulicas en planta en dos capas y en un corte longitudinal, donde los diversos tonos representan valores inicialmente asumidos para kx, ky y kz.

Fig. 5. Distribución espacial de conductividades hidráulicas kx y kz en la primera capa, segunda capa y corte longitudinal en Visual MODFLOW (de izquierda a derecha)

En esta fase, se empleó la condición de carga constante para los ríos de la zona y valores de recarga y evapotranspiración también constantes. Para la zona norte de “El Paso”, se considera al macizo rocoso circundante como una condición de borde impermeable o de celdas inactivas. A manera de ilustración, la Fig. 6 presenta los esquemas de condiciones de borde constantes (2,585 msnm) y las áreas se recarga en la zona de estudio. Nuevamente, los tonos mostrados en los mapas indican valores de recarga obtenidos por Carrera y Arellano (1994), los cuales fluctúan entre 0.95 y 5.33 mmd-1. Fig. 6. Condición de carga constante y áreas de recarga constantes en Visual MODFLOW

( )∑=

−=n

niiobscalc XX

nME 1

∑=

−=n

niiobscalc XX

nEMA 1

( ) ( )

1

2

11

2

−

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−−−

=∑∑==

n

XXXXSEE

n

iobscalc

n

iiobscalc

Para la evapotranspiración, se asumió un valor constante de 0.182 mmd-1 para toda la zona de estudio sobre la base del método de Blaney y Criddle, mostrado en Cherenque (1984). En lo referente a los pozos de bombeo, se ha considerado que en la época de estiaje (Abril-Septiembre) el horario de bombeo de los pozos es de 6 a 12 horas por día, en tanto que para el período de lluvias, éste se incrementa de 14 a 24 horas por día. Para la fase de calibración, se han elegido 12 pozos de observación. La Fig. 7 muestra la disposición de los pozos de bombeo (371) y de observación en el Visual MODFLOW.

Fig. 7. Ubicación de los pozos de bombeo y observación en Visual MODFLOW Para la calibración del modelo, se eligió el período de Junio a Julio del año 1993, por contarse con una mayor cantidad de datos confiables. Para la evaluación de los resultados, se han calculado los siguientes errores (WHI, 1999):

(5)

Donde ME es el error medio, Xobs es el valor de nivel de agua estático observado, Xcalc es el valor del nivel de agua estático calculado por el modelo y n es el número de pozos de observación.

(6)

Donde EMA es el Error Medio Absoluto.

(7)

Donde SEE es el Error Estándar de Estimación o de Calibración Residual.

( )∑=

−=n

niobscalc i

XXn

RMS 21

( ) ( )minmax calcobs XXRMSRMSN−

=

(8)

Donde RMS es la Raíz Cuadrada del Error Medio.

(9) Donde RMSN es el error RMS Normalizado, (Xobs)max es el nivel estático de agua máximo observado y (Xcalc)min es el nivel estático mínimo de agua calculado por el modelo. Se empleó el método de “ensayo y error”, ajustándose valores de la conductividades hidráulicas kx y kz de los diferentes estratos por medio de comparar Xobs y Xcalc hasta obtener valores aceptables de los diferentes errores estimados. A manera de ilustración, la Tabla 1. presenta los niveles estáticos observados y calculados en flujo permanente y la Fig. 8 muestra el diagrama de dispersión de dichos niveles con respecto a la recta de calibración perfecta (R2 = 1) o bisector. Tabla 1. Niveles estáticos calculados y observados en régimen permanente de extracción,

Junio – Julio de 1993 Pozo de observación Xobs (msmm) Xcalc (msnm) Xcalc - Xobs PIS18 2,519.700 2,520.969 1.269 PIS38 2,522.490 2,522.812 0.322 PIS96 2,522.790 2,524.765 1.975 PIG50 2,525.280 2,527.085 1.805 PIS99 2,533.480 2,533.288 -0.192 PIS10 2,534.180 2,535.462 1.282 PIS35 2,547.020 2,548.108 1.088 PIS77 2,554.770 2,554.927 0.157 PIS107 2,556.630 2,557.661 1.031 PG88 2,567.760 2,566.543 -1.217 PG61 2,568.070 2,569.411 1.341 PG51 2,576.470 2,575.046 -1.424

De la Tabla 1 se obtienen los siguientes resultados: ME = 0.62 m, EMA = 1.09 m, SEE = 0.32 m, RMS = 1.23 m y RMSN = 2.17 %. Por otra parte, el coeficiente de eficiencia de calibración de Nash – Sutcliffe COE proporciona un valor de 0.9960. En general, se observa por los resultados obtenidos, que el proceso de calibración fue satisfactorio. Para la parte de validación, se tomaron como períodos de simulación los meses de Octubre a Diciembre de 1999, los cuales presentan un conjunto de datos confiables. Previamente, se llevó a cabo una actualización del número de pozos construidos durante el período 1993-1999.

2,519.70

2,529.70

2,539.70

2,549.70

2,559.70

2,569.70

2,579.70

2,519.70 2,529.70 2,539.70 2,549.70 2,559.70 2,569.70 2,579.70

Niveles estáticos observados, en msnm

Niv

eles

está

ticos

cal

cula

dos,

en m

snm

2.519,60

2.529,60

2.539,60

2.549,60

2.559,60

2.569,60

2.579,60

2.589,60

2.519,60 2.529,60 2.539,60 2.549,60 2.559,60 2.569,60 2.579,60 2.589,60

Niveles estáticos observados, en msnm

Niv

eles

est

átic

os c

alcu

lado

s, e

n m

snm

Fig. 8. Diagrama de dispersión entre niveles estáticos observados y calculados en la fase de

calibración, Junio – Julio de 1993. También se modificaron los valores correspondientes a la evapotranspiración y recarga por riego e infiltración debido a los ríos de la zona. Los valores de las conductividades hidráulicas se mantuvieron constantes e iguales a los obtenidos durante el proceso de calibración. La Fig. 9 presenta el diagrama de dispersión entre niveles estáticos observados y calculados en la fase de validación. Los valores de ME = 0.99 m, EMA = 2.05 m, SEE = 0.64 m, RMS = 2.51 m, RMSN = 4.36 % y el coeficiente de Nash – Sutcliffe COE = 0.9885 indican que se ha logrado una validación aceptable. Fig. 9. Diagrama de dispersión entre niveles estáticos observados y calculados en la fase de

validación, Octubre – Diciembre de 1999.

Finalmente, la Fig. 10 presenta los mapas pizométricos de la zona de estudio observado y producido por el modelo, ambos interpolados por krigeado, donde se observa una similitud razonable entre ambos.

Fig. 10. Mapas pizométricos de la zona de estudio observado y generado por Visual MODFLOW, Junio – Julio de 1993

4. SIMULACIÓN DE ESCENARIOS HIPOTÉTICOS La zona de “El Paso” es de gran importancia en la producción de agua proveniente de pozos, ya que es en este sector donde se hallan ubicados los principales campos de explotación de aguas subterráneas de SEMAPA (Servicio Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Cochabamba), como ser los campos El Paso I, II y III. También se debe considerar el hecho de que la principal fuente de ingresos económicos del área de estudio es la producción agropecuaria, motivo por el cual, es de gran importancia la disponibilidad de agua, tanto para riego como para consumo humano. Es en este sentido que se plantean escenarios hipotéticos de explotación de aguas subterráneas, considerando la producción de agua para riego y agua potable. Dichos escenarios son razonables y han sido planteados por otros estudios previos como se muestra en Carrera y Arellano (1994) y SEMAPA (1995). El escenario de explotación 1(EE1) considera la producción de agua para riego en las zonas de “El Paso” y “Bellavista”. De un estudio de demanda previo, el déficit de agua es de 54 ls-1 para la primera y de 6 ls-1 para la segunda, por lo que se plantea la instalación de 8 pozos con descargas constantes que varían de 5 a 10 ls-1 para 12 horas de bombeo continuas y profundidades de 77 a 89 m. El escenario de explotación 2 (EE2) trata de la cobertura del déficit de agua potable para la ciudad de Cochabamba en el año 2000, propuesta por SEMAPA (1995). En dicho estudio, se identifica un déficit de 122 ls-1, por lo que se plantea la implementación de 5 pozos en la zona de “El Paso”, con caudales de explotación de 20 a 24 ls-1 para 24 horas de bombeo continuas y profundidades de 106 a 115 m.

En los escenarios de explotación 3 y 4 (EE3 y EE4) se evalúa la implementación de 15 pozos de explotación en la zona de estudio para la cobertura de la producción de los campos El Paso I, II y Vinto, además de la inclusión de los escenarios EE1 y EE2. En el escenario EE3 se tienen los 15 pozos distribuidos en forma lineal, en tanto que en el escenario EE4 los mismos están dispuestos de manera reticular. En ambos se simulará la extracción de 325 ls-1, con horarios de bombeo de 24 horas y caudales de explotación por pozo fluctuando de 20 a 25 ls-1. En la Fig. 11 se observan los mapas piezométricos de la zona de estudio con y sin la implementación de los pozos propuestos en el escenario EE1. Por otra parte, la Fig. 12 muestra un corte transversal en la fila 39 del modelo donde se aprecia la distribución de las cargas potenciales antes y después de la puesta en marcha de los pozos. Cualitativamente, se aprecia que no existen diferencias remarcables en ambas situaciones, por lo que se concluye que dicho escenario de explotación no repercutiría en la situación observada inicialmente, siendo ambos campos de velocidades promedio muy similares.

Fig. 11. Mapas piezométricos de la zona de estudio del año 2000 antes y después de la implementación del escenario EE1 (de izquierda a derecha). Los círculos mostrados

indican la ubicación de los pozos

Fig. 12. Cargas potenciales en la fila 39 antes y después de la implementación del escenario EE1 (de arriba hacia abajo)

La Fig. 13 muestra los mapas piezométricos de la zona de estudio antes y después de la implementación del escenario EE2. Como en el caso anterior, el funcionamiento de los pozos de extracción no causa una diferencia significativa en la piezometría ni en las velocidades de flujo subterráneo de la zona.

Fig. 13. Mapas piezométricos de la zona de estudio del año 2000 antes y después de la implementación del escenario EE2 (de izquierda a derecha). Los círculos mostrados

indican la ubicación de los pozos La Fig. 14 ilustra la disposición de los pozos de explotación en los escenarios EE3 y EE4 y las líneas equipotenciales en las vecindades de los mismos, donde se observa que el sistema de disposición de pozos reticular modifica de manera más notoria la piezometría original.

Fig. 14. Detalle de mapas piezométricos en la zona de implementación de pozos para los escenarios EE3 y EE4 (de izquierda a derecha)

Por otra parte, la Fig. 15 muestra la formación de conos de abatimiento de gran magnitud en capas superficiales de la zona de estudio para el escenario EE4 con la presencia de celdas secas, lo cual no se producía en la zona antes de la implementación de dicho escenario. Esta situación indicaría cualitativamente que existen indicios de sobre-

explotación de las aguas subterráneas en la zona, donde además, los vectores de velocidad convergirían hacia el reticulado de pozos disminuyendo de manera ostensible la recarga hacia el río Tacata, próximo a los campos El Paso I y II, y fuente de riego para los pobladores de la región. Fig. 15. Formación de celdas secas y conos de abatimiento de gran magnitud en las capas 1

y 2 para el escenario EE4 (de izquierda a derecha)

5. SUMARIO Y CONCLUSIONES En el presente trabajo, se hace una evaluación cualitativa del impacto de cuatro escenarios hipotéticos de explotación de acuíferos en el flujo subterráneo de la zona de “El Paso” en el Departamento de Cochabamba. Para esto, previamente se ha calibrado y validado el paquete Visual MODFLOW de manera satisfactoria para un régimen de explotación permanente, sobre la base de la información relevada inicialmente y un extenso trabajo de campo consistente en la ubicación e inventariación de 371 pozos, mediciones de caudales de extracción y niveles estáticos en pozos de observación, además de la realización de pruebas de bombeo. Los escenarios de explotación analizados fueron extraídos de estudios de demanda previos. Los resultados obtenidos demuestran que para los escenarios EE1, EE2 y EE3 la piezometría y la dirección de flujo simulados en la zona de estudio no presentan diferencias significativas en relación a un escenario sin la presencia de los pozos considerados. El escenario EE4 es el único que presenta la formación de conos de abatimiento de gran magnitud y la aparición de celdas secas en capas superficiales, producto de la gran interferencia entre los pozos, lo que indicaría una situación de sobre-explotación de las aguas subterráneas, donde se evidencia además un cambio significativo en la dirección del flujo subterráneo que podría ser perjudicial en la recarga de un río importante de la zona. La metodología seguida en la presente investigación demuestra que la simulación de escenarios hipotéticos de explotación puede ser preliminarmente de mucha ayuda en la toma de decisiones en cuanto a una explotación racional y sostenible de los recursos acuíferos de la región.

Celdas secas Cono de abatimiento

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