Relaciones entre los niveles freáticos y

Relaciones entre los niveles freáticos y variables hidrometeorológicas en
un área de llanura.
Evangelina María Fornari
Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas – Universidad Nacional del Litoral
E-mail: [email protected]
RESUMEN:
El nivel del agua subterránea varía con el tiempo y de forma muy diversa, debido a causas naturales o antrópicas. El estudio de sus fluctuaciones es fundamental para evaluar la recarga al acuífero y el almacenamiento
subterráneo y consecuentemente planificar correctamente la explotación del agua subterránea.
El objetivo de este trabajo es completar una serie de niveles freáticos correspondientes a un pozo de observación con registros incompletos, utilizando metodologías que consideren relaciones entre la profundidad del
agua subterránea y variables hidrometeorológicas, como precipitación y evapotranspiración potencial, y registros de niveles freáticos de otros pozos. El estudio se realiza en un área de llanura del centro de la provincia de Santa Fe, donde las poblaciones y todas las actividades productivas se sustentan en el agua subterránea.
Los resultados obtenidos del análisis de correlación entre las series fueron satisfactorios. El rellenado de los
valores de niveles freáticos del pozo de monitoreo en consideración se realizó, no solamente teniendo en
cuenta la serie que mejor ajustaba, sino también el análisis de la evolución natural de los niveles de agua
subterránea en el área de estudio.
INTRODUCCIÓN
El nivel del agua subterránea varía con el tiempo y de forma muy diversa, debido a causas naturales o antrópicas. Las oscilaciones del nivel freático se deben a causas que suponen un cambio en el almacenamiento
subterráneo, tales como la sucesión de épocas secas y húmedas, variación de niveles en cuerpos de agua conectados al acuífero, extracción de agua por bombeo o recarga por inyección, entre otras. En ocasiones, principalmente en acuíferos cautivos, las causas de las variaciones de los niveles piezométricos no suponen variación importante del agua almacenada, por lo menos en períodos pequeños de tiempo, y están relacionadas
con efectos de cambios en la presión atmosférica, sobrecargas rápidas o propagación de ondas elásticas,
cambios en la gravedad en lo que a mareas marinas se refiere, etc. Las oscilaciones de los niveles piezométricas pueden ser rápidas (cuya duración varía desde menos de un minuto a poco más de un día) o de períodos largos (que se repiten en base a un ciclo semianual, anual o de varios años). (Custodio, 1976)
El estudio de los niveles de agua subterránea tiene gran importancia debido a la relevancia de esta variable
como parte interviniente en el ciclo hidrológico y por su relación con las actividades del hombre. Es preciso
conocer las fluctuaciones de los niveles freáticos, su tendencia histórica y períodos de máximos y mínimos
niveles para evaluar la recarga al acuífero y el almacenamiento subterráneo, y de esta manera poder planificar correctamente su explotación. Además, su estudio contribuirá con el diseño de fundaciones de construcciones civiles.
La medición de la profundidad del agua subterránea se realiza en pozos de observación (pozos excavados,
perforaciones, pozos de monitoreo, etc.) en forma manual (sondas manuales) o automática (registradores
continuos). Estos niveles de agua subterránea medidos en un pozo, en un período de tiempo, pueden ser representados en gráficos cartesianos denominados freatigramas. Del análisis de estos freatigramas se pueden
identificar períodos de ascensos y descensos de niveles y relacionar con los montos de precipitación, volúmenes de extracción de agua, etc.
Muchas veces, la falta de mediciones de niveles de agua subterránea, o la discontinuidad en el registro de las
mismas por motivos diversos, hace necesario encontrar relaciones con otras variables que permitan estimar
los valores faltantes y rellenar las series incompletas. “La correlación entre lluvias y niveles de agua subterránea no siempre es clara. Parece más conveniente relacionar niveles con desviaciones acumuladas de la
pluviometría respecto a la media” (Custodio, 1976).
En áreas de llanura de la provincia de Santa Fe y de Córdoba, Bolzico (1988), Cacik (1990) y D’Elia (1993),
estudiaron la relación entre los niveles freáticos y distintas variables hidrometeorológicas.
OBJETIVO
El presente trabajo tiene por objeto completar una serie de niveles freáticos correspondientes a un pozo de
observación ubicado en un área de llanura del centro de la provincia de Santa Fe, utilizando metodologías
que consideren relaciones entre la profundidad del agua subterránea y variables hidrometeorológicas.
Este estudio se enmarca en los Proyecto de Investigación y Desarrollo CAI+D/2009 de la UNL: “Evaluación
de los procesos de recarga-descarga en acuíferos de llanura como base para la gestión integrada de los recursos hídricos subterráneos” e “Indicadores de sustentabilidad de los recursos hídricos subterráneos en el área
central de la provincia de Santa Fe, Argentina”, que se están llevando a cabo en el en el Grupo de Investigaciones Geohidrológicas de la Universidad Nacional del Litoral y contribuirá con el análisis de la recarga al
acuífero libre y consecuentemente de las reservas y las posibilidades de explotación.
ÁREA DE ESTUDIO
El área de estudio se ubica en el centro de la Provincia de Santa Fe, Argentina. En ella se emplazan las localidades de Esperanza, Humboldt y Cavour. La zona abarca aproximadamente 340 Km2 y se ubica entre los
31º 21’ y 31º 29’ de latitud S y los 61º 06’ y 60º 52’ de longitud O (Figura 1). Se encuentra en la cuenca baja
del río Salado y pertenece a la región denominada llanura pampeana, con pendientes del orden del 0.2%.
Río Salado
N
Figura 1.- Ubicación del área de estudio.
El clima del área ha sido clasificado como “subhúmedo húmedo, mesotermal, de nula a pequeña deficiencia
de agua, y de baja concentración térmica estival” (Panigatti, 1986). La temperatura media anual en la zona de
estudio es de 18ºC. Las mayores temperaturas medias mensuales se registran entre los meses de noviembre a
marzo, alcanzando el máximo valor en el mes de enero (alrededor de 25ºC) y el mínimo en los meses de
junio y julio (alrededor de 12ºC). La precipitación media anual para la serie 1904-2009 es de 989mm, con un
valor máximo de 1710mm en el año 1914 y un mínimo de 423mm en el año 1906. Se presenta en la zona,
una alternancia de ciclos secos y húmedos de hasta 3 años, que a partir del año 1959 se hacen más prolongados. Desde la década del ’70, se presenta en el área de estudio un período húmedo, con precipitaciones anuales del orden de 900 a 1200mm, caracterizado por eventos lluviosos intensos y concentrados arealmente.
(www.aquiferural.ist.utl.pt)
Los suelos predominantes del área pertenecen a la Unidad Cartográfica Simple: Serie Esperanza (ESP) compuesta por argiudoles típicos que son suelos bien drenados, profundos y constituyen el mejor suelo de esta
región, con una ligera limitación en los perfiles desarrollados en paisajes muy planos donde se incrementa el
contenido de arcilla afectando el drenaje. (INTA, 1991)
Las características geológicas e hidrogeológicas del área se conocen a través de estudios previos realizados
por Tujchneider et al. (2006) y Filli et al. (1999) quienes presentaron los modelos conceptuales del sistema
hídrico subterráneo de la región y del área de estudio, respectivamente. La columna hidrogeológica local
comprende: un basamento acuícludo formado por arenas y arcillas de origen marino, correspondiente al techo de la Formación Paraná (Mioceno), un acuífero semiconfinado compuesto por arenas finas y medianas,
de origen fluvial de alrededor de 24m de espesor medio, pertenecientes a la Formación Ituzaingó, también
denominados Arenas Puelches (Plioceno), un manto semiconfinante o acuitardo, formado por limos y arcillas
de aproximadamente 3m de espesor promedio de la Formación Pampa (Pleistoceno) y un acuífero freático
compuesto por limos, arcillas y loess de origen eólico, palustre y lacustre de aproximadamente 15m de potencia pertenecientes a la parte superior de la Formación Pampa. La dirección general del escurrimiento subterráneo es en sentido oeste-este, y las zona de descarga son los valles aluviales de los ríos Salado y Paraná.
Se distinguen flujos regionales y locales. Las precipitaciones recargan localmente el acuífero libre, mientras
que el acuífero semiconfinado recibe tanto recarga local proveniente del acuífero libre suprayacente como
recarga regional. En función de las relaciones hidráulicas, existen flujos descendentes y ascendentes a través
del acuitardo y consecuentemente la extracción de agua de las arenas que integran la Formación Ituzaingó,
induce la recarga desde la Formación Pampa y la afluencia lateral desde áreas circundantes del propio acuífero.
La principal actividad económica de la zona es la agrícola-ganadera. Además, se emplazan en ella numerosas
industrias dedicadas al cuero, madera, alimentos y metalúrgica. Cabe destacar que todas estas actividades, así
como el suministro de agua potable de las poblaciones se sustentan en el agua subterránea.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para la realización de este estudio se contó con información de niveles freáticos medidos en cuatro pozos de
monitoreo del acuífero alojado en la Formación Pampa: PF1, PF2, PF4, PM5 ubicados en la zona de estudio
(Figura 2).
REFERENCIAS:
Pozos de monitoreo:
PF 1. Estancia Merceditas – Pozo Sur
PF 2. Cementerio Municipal – Pozo
Oeste
PF 4. Sociedad Rural – Pozo Norte
PM 5. Predio FCA. Calle J.J. Paso y El
Pinar.
Localidades
Rutas
Figura 2.- Ubicación de los pozos de monitoreo
En el pozo de monitoreo PM5 se realizan semanalmente lecturas manuales de nivel de agua subterránea desde el año 2002 y en los otros tres se registran en forma continua desde el año 2007. Estos registros tienen
interrupciones debido a la falta de lectura por parte de los operadores y/o a problemas con las sondas manuales y los equipos de registración continua. La Tabla 1 sintetiza la información disponible.
Tabla 1.- Información freatimétrica disponible
Pozo de
monitoreo
PF1
PF2
PF4
PM5
Profundidad
del pozo (m)
19
16
12
20
Registro
Automático
Automático
Automático
Manual
Paso de
tiempo
Horario
Horario
Horario
Semanal
Período de registro
Fuente
Ago 2007 – Abr 2011
Ago 2007 – Abr 2011
Ago 2007 – Abr 2011
Set 2002 – Abr 2011
GIG – FICH –UNL *
GIG – FICH –UNL *
GIG – FICH –UNL *
GIG – FICH –UNL *
*GIG: Grupo de Investigaciones Geoidrológicas - Facultad de Ingeniería y Ciencia Hídricas - Universidad Nacional del Litoral
Los registros faltantes en el pozo PM5 corresponden a los meses de diciembre 2006, junio 2007, enero 2008,
enero 2009, febrero 2009, enero 2010, enero 2011, marzo 2011 y abril 2011.
En los pozos de monitoreo PF1, PF2 y PF4 los registros faltantes pertenecen a los meses de noviembre 2007,
diciembre 2007, enero 2008, noviembre 2008, diciembre 2008 y el período de enero a junio de 2009.
Además, se contó con registros pluviométricos y de temperatura pertenecientes a la localidad de Esperanza.
La Tabla 2 sintetiza la información hidrometeorológica disponible, el período de registro, el paso de tiempo
y la fuente de información.
Tabla 2.- Información hidrometeorológica utilizada
Variable
Precipitación
Temperatura
Paso de tiempo
Diaria / Mensual
Diaria
Período de registro
Set 2006 – Abr 2011
Set 2006 – Abr 2011
DPCSF: Dirección General de Comunicaciones de la provincia de Santa Fe
FCA-UNL: Facultad de Ciencias Agrarias - Universidad Nacional del Litoral
Fuente
DPC SF
FCA – UNL
El período de análisis de este estudio se extiende desde septiembre 2006 a abril 2011.
En una primera instancia, se realizó un análisis de la información hidrometeorológica y freatimétrica disponible: se calcularon los montos de precipitaciones mensuales y los valores medios mensuales de temperaturas. Por otra parte se estimó la evapotranspiración potencial (ETP) utilizando la metodología de Thornthwaite. También se calcularon los valores de profundidades de nivel freático medio mensuales en todos los pozos
de monitoreo.
Luego de este pre-procesamiento, se analizaron conjuntamente los registros de precipitaciones mensuales de
la ciudad de Esperanza y la profundidad del nivel freático medida en los pozos de monitoreo (PNF).
Se establecieron diferentes relaciones entre la PNF del pozo de monitoreo PM5, que es el pozo de monitoreo
con un período de registro mayor, y variables hidrometeorológicas y PNF de los otros pozos de monitoreo.
PNF vs Desvíos acumulados de las precipitaciones [(P-Pm)acum]:
Se determinó el valor medio de la serie de precipitaciones mensuales, se calcularon las diferencias entre la
precipitación y la precipitación media de la serie y los valores así obtenidos se acumularon desde el primero
al último con su signo correspondiente (P-Pm)acum.
Se realizó un análisis estadístico de correlación entre las series PNF del pozo de monitoreo PM5 y (PPm)acum.
Se consideraron las series (P-Pm)acum sin desfasar y (P-Pm)acum desfasadas uno y dos meses, ya que se tuvo
en cuenta el tiempo de respuesta del sistema acuífero ante la llegada del agua de recarga. Este desfasaje representaría un retardo en la respuesta del sistema a la llegada de agua al acuífero. Se evaluaron los coeficientes de determinación obtenidos en cada caso.
PNF vs Precipitación - Evapotranspiración Potencial acumulada [(P-ETP)acum]:
La ETP es considerada contraria al efecto de la precipitación en la variación de los niveles freáticos. En general, en un área de llanura con escaso escurrimiento superficial y escurrimiento subterráneo lento, para valores positivos de P-ETP corresponden ascensos del nivel freático mientras que para valores negativos de PETP corresponden descensos del mismo. (Cacik, P. 1990)
Se calculó la diferencia P-ETP y se acumularon estas diferencias desde la primera a la última. Se realizó un
análisis estadístico entre la serie de PNF del PM5 y las series de (P-ETP)acum sin desfasar y (P-ETP)acum desfasadas uno y dos meses. Se evaluaron los coeficientes de determinación en cada caso.
PNF PM5 vs registros de PNF de otras perforaciones:
Se realizó un análisis de la evolución temporal de los niveles freáticos en los cuatro pozos de monitoreo, y un
análisis de regresión entre las series de datos.
RESULTADOS
Del análisis de los freatigramas de los cuatro pozos de monitoreo se puede observar que los niveles freáticos
tienen un comportamiento similar.
Por otra parte, del análisis de los registros de precipitaciones, se observó un período lluvioso de octubre de
2006 hasta marzo de 2007 en el que precipitaron 1600mm, aproximadamente 600mm más de lo que normalmente precipita en un año. Asimismo, en el período octubre 2009 a febrero de 2010, se registró una precipitación superior a los 800mm. El sistema acuífero tiene un tiempo de respuesta a los estímulos que no es
instantáneo, por lo que se observa que los niveles freáticos ascienden entre uno y dos meses después de una
época lluviosa. En la Figura 3 se presentan los registros pluviométricos y de PNF en los cuatro pozos de
monitoreo ubicados en la zona de estudio para el período septiembre 2006 – abril 2011.
Figura 3.- Evolución temporal de niveles freáticos y precipitaciones
Los resultados de relacionar PNF y (P-Pm)acum y (P-Pm)acum desfasadas uno y dos meses, se presentan en las
Figuras 4 a 6.
Figura 4.- PNF vs (P-Pm)acum
Figura 5.- PNF vs (P-Pm)acum desfasada 1 mes
Figura 6.- PNF vs (P-Pm)acum desfasada 2 meses
En la Tabla 3 se presentan las ecuaciones de las rectas que mejor ajustan a la nube de puntos y el coeficiente
de determinación para cada caso.
Tabla 3.- Resultados de la regresión lineal
PNF vs (P-Pm)acum
PNF vs (P-Pm)acum desfasada 1 mes
PNF vs (P-Pm)acum desfasada 2 meses
Recta de ajuste
Y=-0,003*X+7,605
Y=-0,003*X+7,670
Y=-0,003*X+7,703
R2
0,823
0,887
0,870
El mejor ajuste se obtuvo entre se obtuvo considerando la serie (P-Pm)acum desfasada un mes. La ecuación de
la recta es:
Y = −0.003 ⋅ X + 7.67
(1)
Donde:
Y: corresponde al valor de PNF del pozo de monitoreo PM5
X: corresponde a (P-Pm)acum desfasada un mes.
El coeficiente de determinación obtenido fue de R2 = 0,887, lo que indica que el 88,7% de los valores de
PNF pueden ser explicados por los desvíos acumulados de la precipitación respecto de la media de la serie
desfasadas un mes.
En las Figuras 7 a 9 se presentan los resultados obtenidos luego de relacionar PNF y (P-ETP)acum sin desfasar
y desfasadas uno y dos meses.
Figura 7.- PNF vs (P-ETP)acum
Figura 8.- PNF vs (P-ETP)acum desfasada 1 mes
Figura 9.- PNF vs (P-ETP)acum desfasada 2 meses
En la Tabla 4 se presentan las ecuaciones de las rectas que mejor ajustan a la nube de puntos y el coeficiente
de determinación para cada caso.
Tabla 4.- Resultados de la regresión lineal
Recta de ajuste
Y = -0,006*X+10,48
Y = -0,006*X+10,69
Y = -0,005*X+10,28
PNF vs (P-ETP)acum
PNF vs (P-ETP)acum desfasada 1 mes
PNF vs (P-ETP)acum desfasada 2 meses
R2
0,786
0,800
0,604
El mejor ajuste se logró con la serie de (P-ETP)acum desfasada un mes y la ecuación de la recta es:
Y = −0.006 ⋅ X + 10.69
(2)
Donde:
Y: corresponde a los valores de PNF del pozo de monitoreo PM5
X: corresponden a (P-ETP)acum desfasada un mes.
El coeficiente de determinación es 0,80, indicando que el 80% de los valores de PNF pueden ser explicados
por las diferencias entre las precipitaciones y la ETP, desfasadas un mes.
Los resultados del análisis estadístico de correlación entre los registros de PNF de los cuatro pozos de monitoreo se pueden apreciar en la Tabla 5.
Tabla 5.- Coeficientes de determinación obtenidos
PF1
PF2
PF4
PM5
0,838
0,944
0,948
PF4
0,926
0,958
PF1
0,920
En particular, se observa que la mejor relación entre los niveles del pozo de monitoreo PM5 se obtiene con
los de PF4 localizado en el predio de la Sociedad Rural de Esperanza. La ecuación de la recta que mejor
ajusta a la nube de puntos se expresa como:
Y = −0.794 ⋅ X + 0.742
(3)
Donde:
Y: corresponde a PNF del pozo de monitoreo PM5
X: corresponde a PNF del pozo de monitoreo PF4.
Finalmente, se puede decir que los coeficientes de determinación obtenidos por las distintas metodologías
fueron buenos en todos los casos. En el caso de la relación PNF PM5 vs registros de PNF de otras perforaciones, estos varían entre 0,838 y 0,948. Para la relación PNF vs (P-Pm)acum, los coeficientes de determinación obtenidos tomaron valores entre 0,823 y 0,887. Los coeficientes obtenidos para la relación PNF vs (PETP)acum, los coeficientes variaron entre 0,604 y 0,800.
Se puede observar que los coeficientes obtenidos no presentan diferencias significativas.
El rellenado de la serie de PNF del pozo de monitoreo PM5 se realizó considerando no solamente estos coeficientes sino también la evolución natural de los niveles de agua subterránea.
En la Tabla 6 se presentan los resultados de PNF obtenidos por los distintos métodos y se resalta el valor
adoptado para el rellenado del mes con registro faltante de PNF en el pozo de monitoreo PM5.
Tabla 6.- PNF obtenido para los meses faltantes
Mes sin registro
en PM5
Diciembre 2006
Junio 2007
Enero 2008
Enero 2009
Febreo 2009
Enero 2010
Enero 2011
Marzo 2011
Abril 2011
PNF PM5 obtenidos por las distintas relaciones
PNF vs (P-Pm)acum
NF vs (P-ETP)acum
PNF PM5 vs PNF PF4
desfasado 1 mes
desfasado 1 mes
10.43
7.68
5.79
5.26
5.95
5.70
8.45
7.91
9
8.07
8.39
8.06
9.30
9.82
9.02
9.69
9.64
9.22
9.87
9.59
9.30
9.85
La Figura 10 muestra el freatigrama completado sobre la base de los criterios anteriormente mencionados en
el pozo de monitoreo PM5.
Figura 10.- Serie de niveles freáticos del pozo de monitoreo PM5 completada.
CONSIDERACIONES FINALES
Del estudio realizado se puede concluir que:
• Del análisis de los freatigramas de los cuatro pozos de monitoreo, se observa que los niveles freáticos
tienen un comportamiento similar en el tiempo, en el área de estudio.
• Además, del análisis conjunto de la evolución de los niveles freáticos y las precipitaciones, se evidencia
un retardo de un mes en la respuesta del sistema ante la llegada del agua de recarga. Esto se corrobora con
el análisis realizado con las variables hidrometeorológicas (P-Pm)acum y (P-ETP)acum en las cuales se encontró un mejor ajuste al desfasar las series un mes.
• Tanto los desvíos acumulados de la precipitación respecto de la media de la serie, como las diferencias
acumuladas de la precipitación y la evapotranspiración potencial, muestran un ajuste satisfactorio con los
registros de niveles freáticos del pozo de monitoreo PM5 -coeficientes de determinación superiores a
0,80- lo que indica una fuerte asociación entre dichas variables. El análisis estadístico de correlación de
los datos de las PNF de los cuatro pozos de monitoreo presentan coeficientes de determinación superiores
a 0,90.
• Para seleccionar el valor de PNF faltante, a partir de los obtenidos por los distintos métodos, se tuvo en
cuenta la tendencia en la evolución en los niveles freáticos así como los montos de precipitación en los
meses previos al mes cuyo nivel se requería completar.
Cabe destacar que la confiablidad en los resultados de las estimaciones de las variables y los ajustes realizados está directamente relacionada con la calidad de los datos utilizados.
Los resultados obtenidos de esta investigación son un aporte muy valioso para los proyectos de investigación
desarrollados en el GIG-FICH-UNL, ya que contribuirán con la cuantificación la recarga al acuífero libre, de
los períodos de renovabilidad y de las reservas de agua subterránea que pueden ser explotadas para los diferentes usos en la región de estudio.
Finalmente, se debe resaltar la importancia de la obtención de información proveniente de mediciones in-situ
de las variables de la naturaleza como insumo fundamental de las investigaciones de los sistemas hídricos de
una región.
REFERENCIAS
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http://www.aquiferural.ist.utl.pt/
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Cacik, P. 1990. La relación precipitación – nivel freático. Resumen de Informe Final. Serie Investigación y Desarrollo.
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Custodio E., Llamas M.; 1976. Hidrología Subterránea. Tomo I. Primera Edición. Editorial Omega. Barcelona, España.
ISBN 84-282-0447-0
D’Elia, M., Tujchneider, O., García, N., 1994. Variación de una serie de niveles freáticos y su relación con las variables
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Fili, M., Tujchneider, O; Perez, M., Paris, M., D’Elia M. 1999. Estudio del sistema de aguas subterráneas en el área de
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INTA – Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Estación experimental Agropecuaria Rafaela – 1991. Carta de
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Int. Divulgaciones Nro. 15, 29 pp.
Secretaría de Comunicaciones de la Gobernación de la Provincia de Santa Fe
http://www.santa-fe.gov.ar/gbrn/regpluv/
Tujchneider, O., Paris, M., Perez, M. y M., D´Elia. 2005. Singularidad constitutiva de sistemas geohidrológicos de
llanura y la gestión de los recursos hídricos subterráneos. Revista Latinoamericana de Hidrogeología. Vol.5: 117121.