Contribución de las técnicas hidroquímicas, isotópicas e hidrodinámicas a la caracterización de acuíferos carbonatados y su relación con la red de flujo superficial. Aplicación al acuífero de Alcadozo (cuenca del Segura)
[SPA] El incremento de las demandas de agua en regiones áridas y semiáridas y los escenarios de cambio climático que proyectan un paulatino descenso pluviométrico en nuestra latitud, aumentan el interés en estudiar adecuadamente todos los acuíferos existentes en una zona, incluso aquellos poco explo...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2018 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT) |
| Repositorio: | Repositorio Digital UPCT |
| OAI Identifier: | oai:repositorio.upct.es:10317/7044 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10317/7044 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Acuíferos Aguas subterráneas Túneles Aguas superficiales Hidrogeología Geodinámica externa 2508.04 Aguas Subterráneas |
| Sumario: | [SPA] El incremento de las demandas de agua en regiones áridas y semiáridas y los escenarios de cambio climático que proyectan un paulatino descenso pluviométrico en nuestra latitud, aumentan el interés en estudiar adecuadamente todos los acuíferos existentes en una zona, incluso aquellos poco explotados y conocidos, y a evaluar los recursos que pueden aportar al conjunto del sistema hídrico. En este contexto, esta tesis doctoral ha tenido como objetivo general demostrar que el uso de múltiples técnicas de caracterización e investigación hidrogeológica a distintas escalas espaciales, y la integración de la información que aportan todas ellas, es una metodología contundente para generar un modelo conceptual sobre el funcionamiento de acuíferos carbonatados de grandes dimensiones de los cuales existe poca información. Otro objetivo principal ha sido avanzar en la integración de algunos métodos de cuantificación de la recarga con el fin de mejorar la confiabilidad de los valores que proporcionan, de la variabilidad espacial de los mismos y de la información sobre los procesos que la controlan. El área de estudio es el acuífero de Alcadozo, que está localizado en el centro de la provincia de Albacete y es parte del dominio Prebético Externo de las Cordilleras Béticas. Con una superficie de 509 km2, el acuífero es parte de la MASb Alcadozo, constituida por materiales del Jurásico (Dogger y Lías), Cretácico Inferior y Paleógeno. Las calizas y dolomías jurásicas constituyen las principales formaciones permeables sobre el impermeable de base regional, que es el Triásico, y forman el acuífero estudiado. Tectónicamente es una zona de pliegues y escamas. El clima es mediterráneo semiárido, salvo en su sector occidental, donde hay una marcada influencia continental. El relieve es accidentado (cotas entre 944 y 1577 m s.n.m.) y presenta un fuerte gradiente pluviométrico (600 mm en el O a 360 mm en el E) y termométrico (12 ºC en el O a 17 ºC en el E). Su principal eje de drenaje superficial es el río Mundo, un río de montaña mediterránea calcárea que es afluente del río Segura. La explotación de agua subterránea es mínima en la mayor parte de la MASb y sólo es algo relevante en la zona oriental, donde hay agricultura de regadío. El objetivo general de la tesis se ha desglosado en varios objetivos particulares: definir el esquema regional del flujo de agua subterránea; cuantificar la recarga y conocer su distribución a escala regional, así como los rangos de incertidumbre de las estimaciones; caracterizar hidroquímica e isotópicamente las aguas subterráneas y superficiales, identificar las fuentes principales de solutos y deducir los procesos hidrogeoquímicos más relevantes a escala regional; analizar el impacto que tuvo la perforación del túnel de Talave sobre la red de flujo de agua subterránea y conocer la relación hidrodinámica actual con el macizo; elaborar un modelo hidrogeológico conceptual sobre el funcionamiento del acuífero y validarlo contrastándolo con modelación numérica del flujo de agua subterránea. Para conseguir estos objetivos, la metodología de investigación ha consistido en la aplicación de diferentes técnicas de estudio (hidroquímicas, isotópicas, hidrodinámicas, estadísticas y de modelación numérica) a un conjunto de datos empíricos procedentes, principalmente, de trabajos de campo realizados específicamente para esta tesis (2010 a 2014), en segundo lugar, de la tesis de maestría del autor (2008 a 2009) y, en menor medida, de estudios e informes previos (del Instituto Geológico y Minero de España, la Confederación Hidrográfica del Segura, Confederación Hidrográfica del Tajo y el Sindicato Central de Regantes del acueducto Tajo-Segura). Para conocer la configuración de la red de flujo a escala regional y la ubicación y magnitud de las zonas de recarga y descarga se han usado datos hidrodinámicos (niveles y caudales) medidos en diferentes manantiales, sondeos y tramos del río Mundo, así como en los piezómetros y drenes relacionados con el túnel de Talave. Esos datos también han permitido caracterizar hidrodinámicamente los dos manantiales principales del acuífero, Ayna y Liétor. Se ha realizado un trabajo específico en el interior del túnel de Talave para localiza, muestrear y estimar las principales filtraciones de agua subterránea. Se ha estudiado la relación río Mundo-acuífero desde su origen hasta el embalse de Talave mediante balances diferenciales de agua, de masa de soluto (cloruro) y de actividad de radón. La recarga de agua subterránea por lluvia ha sido estimada en condiciones estacionarias a escala subregional (cuenca hidrogeológica de los manantiales de Ayna y Liétor) y regional (acuífero) mediante los métodos de balance de agua en el suelo (BAS, modelado con el código Visual Balan) y balance de cloruro atmosférico (BMC) respectivamente. Se han calculado los intervalos de confianza (incertidumbre) asociados a los valores calculados y la consistencia de ambos métodos. Para caracterizar hidroquímicamente las aguas superficiales y subterráneas se han tomado unas 150 muestras de agua de ríos, manantiales, pozos y sondeos y se han usado algunos datos históricos de la literatura. También se han muestreado las principales surgencias interiores del túnel de Talave (una sola vez). Para conocer la composición química del agua de lluvia y el aporte de solutos al agua subterránea por vía atmosférica, entre los años 2011 y 2014 se ha muestreado y analizado química e isotópicamente el agua de lluvia en 4 estaciones que cubren razonablemente toda la superficie del área de estudio. En todas las muestras de agua de cualquier procedencia se han analizado los componentes mayoritarios; en muchas muestras se ha analizado Br y en unas pocas Sr. Se ha evaluado la consistencia de los análisis y se ha identificado la existencia de una incertidumbre analítica significativa, aunque aceptable a los fines de la mayor parte de las elaboraciones realizadas. La identificación del impacto de la actividad agrícola se ha apoyado analizando en algunas muestras la relación 87Sr/86Sr. Los datos se han estudiado con gráficos, análisis bivariante y multivariante (Análisis de Componentes Principales, ACP). Para identificar las zonas de recarga y la procedencia de las líneas de flujo, en todas las muestras de agua de lluvia y en un amplio conjunto de muestras de agua subterránea se han analizado los isótopos estables de la molécula de agua (18O y 2H). En un grupo reducido de muestras se ha medido la actividad de tritio (3H) para obtener información sobre los tiempos de permanencia del agua subterránea y la posible existencia de mezcla de líneas de flujo. La composición isotópica del agua de lluvia de la zona se ha contrastado con datos de diferentes estaciones nacionales de la red REVIP-AEMET-CEDEX. Con los datos hidrodinámicos y de caudal se estableció un modelo hidrogeológico conceptual inicial de la MASb Alcadozo que permitió conocer la configuración regional del flujo, las principales formaciones permeables y su disposición en la estructura geológica. Los trabajos iniciales también aportaron algunos valores de recarga, descarga natural (concentrada y difusa), explotación de agua subterránea y coeficientes de agotamiento de los manantiales principales. Esta información muestra un acuífero con una elevada capacidad de regulación y con un balance hídrico equilibrado. A esta información se sumó después la recolectada y generada durante el estudio del túnel de Talave, que aumentó notablemente la información disponible para el diseño del modelo conceptual. El análisis de la evolución hidrodinámica temporal de las descargas de agua subterránea al túnel muestra que la relación acuífero-túnel está ya en equilibrio, y que las oscilaciones temporales dependen principalmente de la recarga estacional. De ese análisis se ha estimado un descenso del nivel piezométrico de entre 69 y 104 m en un amplio sector del acuífero debido a la construcción del túnel. La cuantificación de la recarga a escala regional mediante BMC muestra una notable variabilidad espacial en las tasas de recarga, entre 20 y 243 mm/año, y coeficientes de variación entre 0,16 y 0,38. A escala subregional, los resultados obtenidos mediante BAS para las cuencas de Liétor y Ayna (calibrados con caudales de manantiales) han sido de 35 y 50 mm/año respectivamente, con coeficientes de variación de 0,49 y 0,36. Los resultados obtenidos a ambas escalas espaciales son consistentes entre sí. Se ha confirmado un sistema en régimen natural. Las aguas de lluvia son de dos tipos químicos, HCO3-Mg y HCO3SO4-Mg. Presentan concentraciones pequeñas de los componentes principales del aerosol marino Cl y Na, cuyo único origen es el marino. Existe una gradiente positivo de la concentración de Cl en el aporte atmosférico de NO y N a E y SE. Los contenidos de SO4 muestran una o más fuentes de sulfato, adicionales al aerosol marino, en el aporte atmosférico. Las fuentes potenciales son: la resuspensión de polvo litológico (afloramientos del Triásico), el aporte de polvo sahariano y de sulfuros de las emisiones del complejo industrial de Puertollano (a unos 170 km al O). Las aguas subterráneas tienen mineralizaciones bajas y medias (valores de CE entre 300 y 900 S/cm, pero más frecuentemente entre 400 y 600 S/cm) y son de tipo HCO3-CaMg y HCO3-MgCa, en coherencia con la litología dominante. En general, no presentan variaciones temporales significativas en su composición química. Una vez infiltrada en el terreno, la composición química del agua evoluciona por contacto con los minerales más abundantes del acuífero, calcita y dolomita. En zonas muy concretas del acuífero las aguas tienen la marca litológica de los sedimentos Triásicos, que afloran o subafloran puntualmente en el centro, y regionalmente en el O y SE. En el sector oriental del acuífero los excedentes de riego son también una fuente de agua y de solutos, incorporando al acuífero NO3. La composición química de siete muestras de agua tomadas en el interior del túnel de Talave muestra también el impacto de la recarga de excedentes de riego en esa zona, ya que todas tienen más NO3 del atribuible al fondo natural (entre 14 y 30 mg/L). Las concentraciones de Sr y los valores de la relación 87Sr/86Sr en un conjunto de muestras seleccionadas son consistentes con este modelo conceptual: en la mayor parte del acuífero las aguas tienen la huella química e isotópica de los carbonatos (Jurásico), en puntos localizados tienen la huella de las evaporitas del Triásico y en muestras del sector oriental muestran una mezcla de las huellas de los carbonatos y los fertilizantes. El ACP ha confirmado los principales procesos responsables de la composición química del agua subterránea y de su distribución regional. La composición química de las aguas del río Mundo sugiere notable interacción río-acuífero y transferencia de la marca química del agua subterránea al río. Los valores de δ18O y δ2H en el agua de lluvia son consistentes, en general, con los de la línea meteórica media mundial (LMM; δ2H=8δ18O+10), si bien una parte de las muestras está enriquecida en distinto grado por evaporación, lo que podría suponer valores originales algo más ligeros de los medidos. Los valores del exceso de deuterio indicarían que las precipitaciones más abundantes son de origen atlántico, pero el enriquecimiento evaporativo podría enmascarar una mayor contribución de lluvias de origen mediterráneo. Las aguas subterráneas medidas tienen rangos amplios, entre -6,60 y -8,47 ‰ para el δ18O y entre -45,8 y -56,14 ‰ para el δ2H. Esto indica que la recarga se produce a distintas altitudes. El gradiente isotópico altitudinal estimado para el δ18O con datos de manantiales y pozos someros es aproximadamente de -0,45 ‰/100 m, mayor que en otras zonas de estudio cercanas. Las lluvias tomadas durante cuatro años en tres estaciones con un rango de cotas de casi 600 m no muestran gradiente isotópico alguno, pero el conjunto de las aguas subterráneas analizadas sí muestra la impronta de un gradiente isotópico en la recarga que es consistente con el arriba mencionado. Esto sugiere que durante el periodo de observación han dominado las lluvias convectivas en vez de las frontales u orográficas, pero que a largo plazo dominan las segundas. Considerando válido dicho gradiente isotópico, la mayoría de las aguas subterráneas estudiadas, cuyas cotas de muestreo oscilan entre algo menos de 600 y algo más de 1400 m s.n.m., se habrían recargado en las zonas más altas del sistema, por encima de los 1200 m s.n.m. Las muestras de las filtraciones al túnel de Talave tienen dos rangos de cotas de recarga, uno por encima de los 1200 m s.n.m., consistente con los relieves más altos situados a unos 20 km al O del túnel, y otro algo más bajo, consistente con los relieves existentes en el entorno del túnel. Todas las muestras de agua subterránea medidas tienen contenidos de 3H que indican tiempos de residencia entre relativamente cortos y contemporáneos (entre 0,4 UT ± 0,2 UT y 5,4 ± 0,6 UT). El conjunto de los valores sugiere la existencia de dos partes relativamente diferenciadas en la red de flujo, una con flujos más rápidos y cortos, situados en zonas más altas, y otra con flujos de mayor extensión espacial y tiempo de residencia, situada en zonas más bajas. En cualquier caso, en el segundo grupo es factible que existan mezclas de líneas de flujo de distinto tiempo de permanencia. Las aguas filtradas al túnel son mezcla, en distintas proporciones, de líneas de flujo locales y subregionales. La moderada mineralización general de las aguas subterráneas, la aparición de NO3 en pozos agrícolas profundos y en las filtraciones al túnel de Talave y la presencia de tritio contemporáneo en muchas muestras indican que las aguas subterráneas estudiadas tienen tiempos de permanencia en el sistema relativamente cortos. Dado que los espesores de zona no saturada son notables (10 m al O a >120 m al E), eso implica que la infiltración del agua de lluvia hasta la zona saturada es rápida e importante. Además, los isótopos y la química muestran una mayor relevancia de las mezclas verticales de la prevista inicialmente, singularmente en el sector oriental del acuífero. Aunque a escala regional domina la componente horizontal del flujo, la escala espacial de las líneas de flujo es más bien subregional, y localmente dominan incluso los flujos locales. Este modelo conceptual sobre el conjunto del acuífero podría referirse a la parte superior del mismo, bien por ser esta la zona más permeable y conductora del conjunto (donde tendría lugar el flujo activo y la renovación), o bien por ser donde se ubican los manantiales y quizás también la mayoría de los pozos y sondeos muestreados. Confirmar esta hipótesis queda pendiente para futuros trabajos. La modelación numérica del flujo se ha realizado con el código MODFLOW. El modelo ha reproducido razonablemente el modelo conceptual, si bien es mejorable, especialmente en la definición de las condiciones de contorno. Una primera modelación en régimen permanente de las condiciones actuales proporciona niveles que se ajustan bastante bien a los observados, aunque algunos valores sugieren sectores con funcionamiento más complejo. Los balances zonales han sido coherentes con el balance hídrico de la MASb y reproducen adecuadamente los caudales observados (R2=0,97). En un segundo modelo (también en régimen natural) se han simulado las condiciones previas a la construcción del túnel de Talave. Las isopiezas resultantes son coherentes con el previsible esquema de flujo regional, y los caudales de los principales manantiales muestran algunas diferencias significativas con los valores actuales. El análisis tentativo del impacto hidrogeológico del túnel muestra una buena relación entre los valores calculados y los valores históricos disponibles, salvo para el manantial de Liétor. Comparando ambos modelos, el descenso estimado de la superficie piezométrica en el sector oriental oscila entre 30 m y 190 m. |
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