Determinación espacial de la recarga mediante el diseño e instalación de instrumentación en pozos de monitoreo y simulación de la infiltración en la zona vadosa

Abstract

La estimación de la recarga de agua subterránea presenta ciertos problemas, tales como la selección del método de estimación, el nivel de exactitud, la instrumentación para medirla, el tiempo de adquisición y el costo. A fin de hacer frente a estas dificultades, el principal objetivo de esta tesis es, esencialmente, mejorar el entendimiento de la distribución espacial y temporal de la recarga potencial en un acuífero. Esto se logró a través de 4 etapas: 1) el diseño de una columna automática de pruebas (CP) para experimentos de flujo de agua a escala de laboratorio en condiciones de no saturación; 2) la simulación de dos experimentos de flujo de agua, realizados en el programa informático Hydrus-1D; 3) el diseño de un equipo automático de monitoreo hidrológico (EMH) para estimar algunos parámetros físicos de la zona vadosa en tres pozos de monitoreo perforados para este proyecto, y 4) la determinación espacial de la recarga potencial en la cuenca del valle de Toluca empleando los datos medidos y simulados de los tres pozos de monitoreo, datos meteorológicos y de teledetección satelital. En la primera etapa, la CP se instrumentó en cinco profundidades distintas con cinco terminales resistivas y un bloque de yeso para medir continuamente el contenido de humedad, un lisímetro y tres tensiómetros. En la segunda etapa, se realizaron dos pruebas en la CP de infiltración en un medio arenoso-franco, mismas que se simularon empleando el programa informático Hydrus-1D. Como resultados destacados, el modelo se evaluó mediante cinco indicadores; algunos de sus valores promedio son: error máximo = 0.1028, raíz del error cuadrático medio = 0.0142, R2 = 0.908, eficiencia del modelo = 0.9377 y coeficiente de masa residual = -0.0009. El costo total de la CP fue menor a 400 USD. En la tercera etapa, se perforaron tres pozos de monitoreo para este proyecto, en cada uno de los cuales se instaló un EMH. En la zona vadosa, a tres distintas profundidades de cada pozo de monitoreo, se instaló un bloque de yeso, un tensiómetro y un lisímetro. En la zona saturada se instalaron tres freatímetros en cada pozo de monitoreo. Cada EMH se alimenta con una batería de 6 Volts (V), con una corriente de consumo de 0.6 miliamperes (mA) en modo de espera, y 3.2 mA cuando la unidad mide todos los parámetros, en 3.2 segundos (s). La calibración del contenido de agua en los bloques de yeso se ajustó a una función de dos variables –resistencia eléctrica y temperatura- con un error absoluto de 0.08 cm 3 cm-3 a 18 grados Celsius (°C). La calibración del lisímetro mostró un error absoluto menor al 5% para volúmenes de agua mayores a 50 mililitros (mL). Los transductores de presión empleados en los tensiómetros y en los freatímetros mostraron un comportamiento altamente lineal. La transmisión de datos se realizó a través de un módem conectado a un servidor mediante un enlace de telefonía celular. Esto permitió descargar remotamente los datos medidos por los EMHs para su procesamiento posterior. El costo total de cada EMH fue menor a 600 USD. En la etapa final, los datos de los EMHs, en conjunto con registros meteorológicos, además de la caracterización de los materiales, extraídos durante la perforación de los pozos de monitoreo, se incorporaron en un modelo realizado en el programa Hydrus-1D para simular el flujo de agua en la zona vadosa y, en consecuencia, estimar la recarga potencial en los tres pozos de monitoreo. Las mediciones del contenido de agua en los 3 pozos de monitoreo se usaron para calibrar el modelo, y el flujo de agua a través de los lisímetros se usó para su verificación. El desempeño del modelo se evaluó empleando cinco indicadores; algunos de sus valores para el mejor ajuste fueron: error máximo = 0.001 = raíz del error cuadrático medio y R2 = 0.83. Los resultados del modelo se usaron para calibrar un balance hídrico en la cuenca del valle de Toluca empleando datos de monitoreo remoto satelitales para estimar la evapotranspiración real. La tasa de recarga potencial estimada fue de 103 milímetros al año (mm ∙ año-1 ) (alrededor del 12% de la precipitación anual promedio de 2002 a 2011); lo cual es una magnitud razonable si se compara con las estimaciones oficiales de la recarga total (alrededor del 20% de la precipitación). De este modo, la metodología propuesta en esta tesis ha probado su utilidad en mejorar el entendimiento de la distribución espacial y temporal de la recarga potencial en un acuífero mediante el desarrollo de dispositivos útiles en el monitoreo de la zona vadosa en tiempo real para estimaciones directas, en lugar de usar valores tomados de la literatura aplicados a la descripción de zonas altamente heterogéneas.