Uso de técnicas geofísicas en la planificación y gestión de recursos hídricos subterráneos. Aplicación en acuíferos mediterráneos
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Sendrós, Alexandre
2017-A
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La presente tesis tiene como objetivos el desarrollo, aplicación, calibración y validación del uso de información geofísica para la gestión, la caracterización y el estudio de la vulnerabilidad a la contaminación de los recursos hídricos subterráneos, planteando la eficiente integración de toda la información disponible.
El proyecto de tesis ha desarrollado nuevas metodologías de aplicación de diferentes técnicas no destructivas (geofísicas), y ha validado la interpretación de los resultados obtenidos como apoyo para delimitar las zonas más favorables para la explotación de los recursos hídricos subterráneos, así como para evaluar la vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos, facilitando la protección y el control de las zonas más sensibles. Las principales fortalezas de las metodologías desarrolladas son su rapidez, resolución y la favorable relación coste/beneficio. Para ello se ha planteado el uso combinado de técnicas geofísicas ampliamente difundidas y contrastadas, como son la tomografía de resistividad eléctrica (ERT), los sondeos eléctricos verticales (SEV) y la gravimetría, con los generalmente más invasivos y costosos, pero siempre necesarios, métodos de caracterización directa clásicos (sondeos y piezómetros de investigación, ensayos de bombeo e infiltración y ensayos de laboratorio).
Para validar las metodologías, éstas se han aplicado a distintos tipos de acuíferos, con diferentes problemáticas a tratar, distintas escalas y estrategias de trabajo. Los casos de aplicación se han seleccionado porque ocupan y preocupan en la actualidad a los gestores locales de aguas subterráneas.
El primer caso de aplicación estudiado es la Cuenca de Valls. El comportamiento de las aguas subterráneas en esta zona se puede asimilar al de un sistema acuífero multicapa. En la cuenca de Valls se ha realizado un estudio cuantitativo y cualitativo de las aguas subterráneas en una zona declarada vulnerable a la contaminación de las aguas subterráneas, con una escala de trabajo regional (quilométrica), a partir de la reinterpretación de información ya existente.
El tratamiento específico efectuado a datos de sondeos eléctricos verticales y su reinterpretación, apoyada en los datos de pozos disponibles, ha permitido caracterizar a escala regional las propiedades hidráulicas y la vulnerabilidad a la contaminación del sistema acuífero estudiado. Los métodos geofísicos han mostrado su utilidad en esta aplicación, proporcionado información muy valiosa de forma no destructiva, es decir sin necesidad de realizar nuevas perforaciones en el terreno que podrían actuar como vías preferentes para el paso de contaminantes hacia el acuífero.
En el segundo y tercer caso de aplicación, Cubeta d’Abrera y Vall Baixa del Llobregat, el estudio también ha sido cuantitativo y cualitativo pero en este caso el comportamiento de las aguas subterráneas estudiadas se puede asimilar al de un acuífero libre. En estas zonas, el estudio se ha realizado a una escala intermedia (centenares de metros en el meandro de Ca n’Albareda) y local (métrica para las balsas de recarga artificial). En la Cubeta de Abrera y la Vall Baixa el trabajo se ha centrado en recopilar información preexistente (ya que se trata de una de las zonas más estudiadas de Europa) y en adquirir nueva información con un nivel de detalle inédito en la zona (caso de información geofísica).
El uso combinado de la información proporcionada por fuentes diversas, como la cartografía hidrogeológica de la zona, la estructura del subsuelo definida por sondeos mecánicos, los resultados de los ensayos granulométricos de las muestras del sondeo más próximo, de campañas de prospección electromagnética y la interpretación de perfiles geoeléctricos realizados específicamente para este estudio, ha permitido establecer una metodología combinada para la mejor caracterización del medio acuífero implicado en la recarga artificial.
La tomografía de resistividad eléctrica en particular (ERT) se ha mostrado como un método no destructivo, de bajo coste y elevada resolución, flexible y adaptable a distintas escalas de trabajo y tipos de adquisición que interfiere poco en el funcionamiento de las balsas de recarga artificial y permite caracterizar de un modo eficiente heterogeneidades hidrogeológicas del subsuelo y monitorizar procesos de infiltración y de colmatación en balsas de recarga artificial.
The goal of the present PhD thesis has been the development, application, calibration and validation of the use of geophysical information for management, characterization and study of vulnerability to contamination of groundwater resources in an efficient manner.
During the thesis project we have developed new methodologies for applying different nondestructive techniques (geophysics) to validate the interpretation of the results as a support tool for the evaluation of the most favorable areas for groundwater collection, as well as assessing vulnerability to contamination of aquifers, facilitating the protection and control of the most vulnerable areas to be polluted. The main strengths of the methodologies developed here are the speed of application, their resolution and effective cost / benefit ratio. To achieve our aim we combine the use of widespread and reliable geophysical techniques, such as electrical resistivity tomography (ERT), vertical electrical soundings (VES) and gravimetry, with generally more invasive and expensive, but always necessary, hydrogeological classical methods like research piezometers, pumping and infiltration tests and laboratory assays.
The methodologies have been applied to different types of aquifers, with different problems to deal with, at different scales and with different approaches. The case studies have been chosen because they concern local managers of groundwater resources.
The first case study is an aquifer system located in the Valls Basin. We realize that groundwater behavior could be associated to a multilayer aquifer system and, therefore, we have carried out a regional scale quantitative and qualitative study of the aquifer system from the reinterpretation of existing information in a groundwater system partially declared vulnerable to the surface pollution due to nitrates.
In the second and third case studies, Cubeta d’Abrera and Llobregat artificial recharge ponds respectively, the study has also been quantitative and qualitative but in these cases the behavior of the groundwater can be associated to an unconfined aquifer. In this part, work has focused on gathering background information (as it is one of the most studied areas of Europe) and on acquiring and processing new geophysics data with an unprecedented level of detail in this area.
The use of complementary direct and indirect methods such as boreholes, grain-size analysis, infiltration tests and electromagnetic and geoelectrical surveys has allowed to improve the diagnosis of the saturated and non-saturated zone for better characterization of the geological environment involved in the managed recharge system.
In particular, the ERT technique, a low cost and a high resolution tool has shown to be flexible and adaptable for surveying at different scales and arrays without disturbing the recharge process and also has demonstrated the usefulness of geophysical imaging to unveil hydrogeological heterogeneities and monitoring infiltration and clogging processes in surface Managed Aquifer Recharge systems.
Índice
Resumen 1
Abstract 3
1. Justificación y objetivos 7
2. Introducción 13
2.1. Antecedentes 13
2.2. Caracterización de parámetros hidrogeológicos con métodos geofísicos 16
2.2.1. Zona saturada 16
2.2.2. Zona no saturada 18
3. Metodología 23
3.1. Gravimetría 23
3.2. Prospección electromagnética 25
3.3. Prospección eléctrica 28
3.3.1. Principio teórico/físico 29
3.3.2. Adquisición SEV 31
3.3.3. Interpretación SEV 32
3.3.4. Adquisición ERT 35
3.3.5. Modelización ERT 2D y 3D 39
3.3.6. Limitaciones. Parámetros de Dar Zarrouk 40
3.4. Conductividad hidráulica 42
3.4.1. Concepto y evaluación de la conductividad hidráulica 42
3.4.2. Ensayos granulométricos y formula de Hazen 44
3.5. Tasa de infiltración 46
3.5.1. Concepto y cuantificación de la infiltración 46
3.5.2. Infiltrómetro de doble anillo 47
3.6. Transmisividad hidráulica 49
3.6.1. Definición y evaluación por métodos geoléctricos 49
3.7. Evaluación de la vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos 50
3.7.1. Marco jurídico 50
3.7.2. Concepto y cuantificación de la vulnerabilidad 51
3.7.3. Método AVI. Aproximación geoeléctrica 53
4. Resultados y discusión 57
4.1. Sistema acuífero multicapa. Zona de estudio 57
4.1.1. Marco geográfico y climático 57
4.1.2. Caracterización hidrológica 59
4.1.3. Geología e hidrogeología 62
4.2. Sistema acuífero multicapa 66
4.2.1. Piezometría 68
4.2.2. Sondeos de investigación y pozos 69
4.2.3. Prospección eléctrica SEV. Adquisición y tratamiento de datos 70
4.2.4. Transmisividad hidráulica 74
4.2.5. Resistencia transversal (T de Dar Zarrouk) 75
4.2.6. Conductancia longitudinal (S de Dar Zarrouk) 77
4.2.7. Evaluación de la vulnerabilidad 79
4.2.8. Discusión y conclusiones 81
4.3. Acuífero libre y balsas de recarga artificial. Zonas de estudio 83
4.3.1. Marco geográfico y climático 83
4.3.2. Marco geológico 86
4.3.3. Contexto hidrogeológico 89
4.3.4. Problemática hidrogeológica 93
4.3.5. Recarga artificial en el Llobregat 94
4.3.6. Balsas de recarga artificial de Ca n’Albareda y Sant Vicenç dels Horts 96
4.4. Acuífero libre 99
4.4.1. Diseño de la campaña de adquisición 99
4.4.2. Problema de equivalencia 101
4.4.3. Tasa de infiltración 103
4.4.4. Geometría del acuífero y potencial de recarga en el meandro 106
4.4.5. Discusión y conclusiones 110
4.5. Balsas de recarga artificial 112
4.5.1. Caracterización geofísica de la zona saturada 113
4.5.2. Caracterización geofísica de la zona vadosa 118
4.5.3. Modelo 2D vs secciones del modelo 3D 123
4.5.4. Estimación de conductividad hidráulica 126
4.5.5. Tasa de infiltración 131
4.5.6. Monitorización de la infiltración 134
4.5.7. Monitorización de la colmatación y el mantenimiento 145
4.5.8. Discusión y conclusiones 153
5. Conclusiones finales 159
5.1. Conclusiones 159
5.2. Conclusions 164
6. Bibliografía 171
Anexos 185
Anexo 1. Producción científica 185
Anexo 2. Cálculo del nivel piezométrico 189
Anexo 3. Sondeos de investigación y pozos 191
Anexo 4. Modelos SEV 192
Anexo 5. T de Dar Zarrouk 201
Anexo 6. S de Dar Zarrouk 205
Anexo 7. Tiempos de tránsito 207
Anexo 8. Concentración nitratos vs S de Dar Zarrouk 208
Anexo 9. Cálculo de resistividad en perfiles ERT paramétricos 209
Anexo 10. Secciones geoeléctricas meandro de Ca n’Albareda 212
Anexo 11. Comparación resultados de inversión 217
Anexo 12. Secciones geoeléctricas balsa de Ca n’Albareda 219
Anexo 13. Curvas granulométricas balsa de Ca n’Albareda 227
Anexo 14. Perfiles time-lapse recarga balsa de Ca n’Albareda 237
Anexo 15. Caracterización geoléctrica inicial balsa Sant Vicenç 240
Conclusiones
La presente Memoria de Tesis Doctoral se puede dividir en dos partes.
La primera parte (capítulos 1 a 3) es una recopilación de antecedentes sobre la aplicación de métodos geofísicos en estudios hidrogeológicos y una descripción de la instrumentación y de las metodologías de adquisición, tratamiento e interpretación de los datos geofísicos usados en esta tesis.
La segunda parte (capítulo 4) comprende la integración de los métodos geofísicos en el estudio de problemáticas diferentes en dos tipos de acuífero y a tres escalas de trabajo distintas. En todos los casos los métodos geofísicos en general, y en particular los geoeléctricos, han demostrado su eficacia como herramientas de apoyo para la caracterización de la geometría y la dinámica de las formaciones acuíferas, y de este modo ayudar a mejorar la planificación y gestión de recursos hídricos subterráneos.
Un resumen de las principales conclusiones de las dos partes se presenta en este capítulo.
Uso de técnicas geofísicas como herramienta de caracterización hidrogeológica
– El desarrollo de estrategias eficientes para la gestión de los recursos hídricos subterráneos requiere la caracterización precisa de la estructura hidrogeológica. Los estudios hidrogeológicos clásicos a menudo se han basado en la disponibilidad de medidas de tipo puntual, perforación de pozos, ensayos de bombeo y de trazadores, información siempre necesaria, pero que suele ser costosa y a menudo dista de ser suficiente para caracterizar las heterogeneidades laterales del medio geológico.
– La geofísica aplicada, entendida como un conjunto de métodos para reconocer las características del terreno a partir de medidas de propiedades físicas efectuadas desde la superficie, o a veces a lo largo de sondeos, permite conocer y cuantificar un amplio conjunto de características del medio sin necesidad de penetrar en el mismo, ya sea por qué no es posible o porqué al hacerlo se alterarían las propiedades que deseamos cuantificar.
– Todos los métodos geofísicos: gravimétrico, magnético, sísmicos y eléctricos, pueden contribuir de alguna manera en la caracterización de las aguas subterráneas. Sin embargo, el gravimétrico es adecuado para estudios a gran escala y sobre todo los métodos eléctricos (incluyendo los electromagnéticos) son los más utilizados y particularmente apropiados para el resto de aplicaciones, ya que han demostrado su utilidad para resolver la mayor parte de los problemas planteados con una mejor relación coste/beneficio.
Escala regional-cuenca. Sistema acuífero multicapa
– El comportamiento hidrogeológico de las aguas subterráneas de la Cuenca de Valls (365 km2) se puede asimilar a un sistema acuífero multicapa de interés estratégico para el abastecimiento hídrico de la zona, además el interés de su estudio se complementa por el hecho que se trata de una zona declarada parcialmente vulnerable a la contaminación difusa por nitratos.
– Desde el punto de vista regional el reprocesado de las estaciones gravimétricas disponibles en la zona del Camp de Tarragona ha permitido obtener un modelo cualitativo de la geometría de la base impermeable del sistema acuífero y la determinar la existencia de dos depocentros separados por un umbral que puede actuar como divisoria del flujo del agua subterránea.
– El tratamiento específico efectuado a datos de sondeos eléctricos verticales y su reinterpretación, apoyada en los datos de pozos disponibles, ha permitido también caracterizar a escala regional las características hidráulicas del sistema acuífero y la vulnerabilidad a la contaminación del mismo a través de la zona no saturada. Los métodos geofísicos han mostrado su utilidad en esta aplicación, proporcionado información muy valiosa de forma no destructiva, es decir sin necesidad de realizar nuevas perforaciones en el terreno que podrían actuar como vías preferentes para el paso de contaminantes hacia el acuífero.
– Los resultados de la interpretación de las curvas de SEV son coherentes con la información litológica del subsuelo a partir de los sondeos mecánicos que disponen de columna litológica. Los datos de SEV tienen una mejor distribución espacial en el área de estudio que la información litológica que proporcionan los sondeos mecánicos y nos permiten obtener de forma sencilla los parámetros geoeléctricos de Dar Zarrouk.
– El mapa de resistencia eléctrica transversal (parámetro T de Dar Zarrouk) muestra una buena correlación con los valores de transmisividad hidráulica del acuífero deducida a partir de los ensayos de bombeo en pozo. Las zonas con valores elevados de resistencia eléctrica transversal T se corresponden con las zonas de alta transmisividad hidráulica, y por lo tanto permite identificar de forma más continua las zonas más favorables para la explotación de los recursos hídricos subterráneos.
– El mapa de conductancia eléctrica longitudinal (parámetro S de Dar Zarrouk) muestra de forma efectiva la protección a la contaminación de las aguas subterráneas por la existencia de una baja permeabilidad vertical de la zona no saturada, es decir el conjunto de las capas más superficiales situadas entre la superficie del terreno y el nivel piezométrico. Valores de S superiores a 0.5 siemens indican zonas en las que el sistema acuífero estará más protegido, mientras que valores de S inferiores a 0.5 siemens indican zonas con mayor riesgo a que las aguas subterráneas se vean afectadas por la contaminación, ya sea puntual o difusa.
– La correlación entre la conductancia longitudinal eléctrica (parámetro S de Dar Zarrouk) y la resistencia al flujo vertical del agua a través de la zona no saturada, usado como índice cuantitativo en el método AVI (Aquifer Vulnerability Index) para evaluar la vulnerabilidad a la contaminación de las aguas subterráneas, ha permitido determinar las zonas más susceptibles a la contaminación en función del tiempo de tránsito desde su infiltración desde la superficie hasta alcanzar el acuífero. En la Cuenca de Valls, las zonas más vulnerables, con tiempos de tránsito inferiores a 3 años, se localizan principalmente en la zona sur del área de estudio, mientras que las mejor protegidas, con tiempos de tránsito superiores a 9 años se sitúan en los sectores central y norte.
Escala local. Acuífero libre
– La metodología ERT ha resultado una herramienta muy útil para la caracterización de la morfología del acuífero libre del rio Llobregat y en particular para la caracterización de emplazamientos de recarga de tipo superficial en el meandro de Ca n’Albareda. Este método geofísico ha proporcionado una información mucho más exhaustiva y representativa que las técnicas directas por si solas. La geometría de las distintas unidades hidrogeológicas y el contacto acuífero-acuícludo, junto con sus variaciones verticales y laterales, se definen con una mayor precisión usando los modelos generados a partir de la tomografía eléctrica. Las limitaciones intrínsecas de la metodología, como el problema de equivalencia y el método de interpolación usado, se pueden solventar con un sencillo análisis de los modelos equivalentes y con la información directa, obtenida por ejemplo con datos litológicos de sondeos y/o pozos y con valores de conductividad hidráulica estimados a partir de un ensayo de bombeo y/o de infiltración.
– Desde el punto de vista de la gestión del agua es de particular importancia caracterizar las variaciones laterales de las formaciones acuíferas con el fin de identificar los lugares más adecuados para el emplazamiento de infraestructuras de recarga artificial. En consecuencia, antes de la construcción de sistemas de recarga artificial de tipo superficial es muy recomendable llevar a cabo estudios, tales como el presentado con el fin de identificar aquellas zonas de mayor permeabilidad que serán las más adecuadas para las operaciones de recarga.
Escala local-de detalle. Balsas de recarga artificial
– La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) se ha mostrado como un método no destructivo, de bajo coste y elevada resolución a partir del cual se mide fácilmente la distribución de la resistividad eléctrica aparente del subsuelo. Es un método flexible y adaptable a distintas escales de trabajo y tipos de adquisición ya que se puede dejar de manera instalada fija o realizar las adquisiciones de forma periódica interfiriendo poco en el funcionamiento de las balsas de recarga artificial.
– La distribución de resistividades se ha podido representar mediante perfiles geoeléctricos en un espacio bidimensional o tridimensional y su interpretación ha permitido estimar la variación de las propiedades hidrogeológica e hidrogeofísicas tanto en profundidad como lateralmente. Desde el punto de vista de la gestión hídrica es de especial interés caracterizar dichas variaciones para evaluar las zonas preferentes de recarga.
– El uso combinado de la información proporcionada por fuentes diversas, como la cartografía hidrogeológica de la zona, la estructura del subsuelo definida por sondeos mecánicos, los resultados de los ensayos granulométricos de las muestras del sondeo más próximo, de campañas de prospección electromagnética y la interpretación de perfiles geoeléctricos realizados específicamente para este estudio, ha permitido establecer una metodología combinada para la mejor caracterización del medio acuífero implicado en la recarga.
– Además, es aconsejable aplicar la metodología descrita de forma periódica y a distintas escalas, con el fin de caracterizar posible la colmatación de la zona de infiltración y poder controlar el correcto funcionamiento del sistema de recarga. Esto garantizaría una mayor eficacia operativa y en consecuencia una optimización de costes.