Departamento de Biología y Geología
Hydrogeology of La Gomera (Canary Islands):
Hydrogeology of La Gomera (Canary Islands):
Hydrogeology of La Gomera (Canary Islands):
Hydrogeology of La Gomera (Canary Islands):
contributions to conceptual models of volcanic
contributions to conceptual models of volcanic
contributions to conceptual models of volcanic
contributions to conceptual models of volcanic
island aquifers
island aquifers
island aquifers
island aquifers
Tatiana Izquierdo Labraca
Universidad Rey Juan Carlos
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ESUMEN
ANTECEDENTES
Los modelos conceptuales de acuíferos en islas volcánicas son aún controvertidos en numerosas regiones del mundo (p.ej., Isla de Reunión (Join et al., 2005) o la isla de Pascua (Herrera & Custodio, 2008) debido a dos factores principales: la falta de información hidrogeológica en el interior de estas islas por la escasez de captaciones lejos de la costa, y la complejidad estructural de las zonas volcánicas. En las islas volcánicas aparecen materiales con propiedades hidráulicas muy variadas, como coladas de lava, materiales piroclásticos, volcanoclásticos o sedimentarios. Además, los materiales volcánicos pueden presentar permeabilidades muy variadas, con valores muy altos y anisótropos en formaciones jóvenes (debido a las partes más escoriáceas y al diaclasado de las coladas de lava), que se reducen drásticamente con el paso del tiempo por alteración, compactación y mineralización secundaria (Custodio, 1978). Asimismo, la intrusión de diques juega un papel clave, en general reduciendo los valores de permeabilidad primaria en función del número, volumen, geometría y densidad de la red diques (Takasaki & Mink, 1985). La variabilidad en la longitud, espesor y características (p.ej., diaclasado) de los diques hace que sea difícil evaluar a priori su papel en los modelos de flujo subterráneo, pudiendo actuar como zonas de flujo preferente o como barreras al flujo, almacenando el agua localmente al ser más impermeables que la roca caja (Custodio, 1978). La alternancia de episodios constructivos y destructivos (p.ej., deslizamientos) en los edificios volcánicos insulares provoca que la geometría de todos estos materiales pueda ser muy compleja, por lo que la falta de datos del subsuelo en zonas internas de las islas dificulta enormemente la construcción de modelos conceptuales de sus acuíferos.
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Niñerola et al., 1974, Navarro & Farrujia, 1989) por lo que en la actualidad en Canarias, el papel de los diques en los modelos conceptuales se considera variable (Custodio & Cabrera, 2008). Además, en Canarias se ha comprobado la importancia hidrogeológica de los grandes deslizamientos de flanco. El relleno de las depresiones generadas en estos deslizamientos por materiales permeables que se apoyan directamente sobre las brechas de deslizamiento, de matriz muy arcillosa, los convierten en importantes acuíferos (p. ej., el acuífero de Icod-Cañadas en Tenerife; Navarro & Farrujia, 1989).
El estudio realizado para la elaboración de esta Tesis Doctoral se ha llevado a cabo en La Gomera (Islas Canarias) ya que al ser una isla no activa desde el punto de vista volcánico es una de las menos estudiadas del Archipiélago (Custodio & Cabrera, 2008) con el objetivo de desarrollar un modelo de flujo conceptual para sus acuíferos.
Hasta 1975 no se realiza el primer estudio sobre la hidrología de Canarias, el denominado Proyecto SPA-15 (MOPU, 1975) cuyos principales trabajos se realizaron en las islas mayores (principalmente Gran Canaria y Tenerife). En el caso de La Gomera se realizó un primer balance hídrico y algunos análisis hidroquímicos aunque no se propuso ningún modelo conceptual para el sistema hidrogeológico de la isla. El Proyecto MAC-21 (MOPU, 1980) continua los trabajos realizados en el Proyecto SPA-15 con el objetivo de conocer la situación socioeconómica de la región y realizar una planificación hidráulica para la siguiente década. En La Gomera, se realizaron poco estudios, entre ellos el inventario de las extracciones de agua y de las presas existentes así como el cálculo de la cantidad de tierras de regadío de la isla. En 1985 el Instituto Geológico y Minero de España (IGME) realizó el primer estudio hidrogeológico de la isla titulado Estudio Hidrogeológico General de la Isla de La Gomera (Porras et al., 1985). En él, desarrollan un modelo conceptual en el que el acuífero principal era el formado por los Basaltos Horizontales (Edificio Reciente), ya que la zona de recarga se localizaba en el centro de la isla, y el acuífero descargaba a través de los múltiples nacientes o manantiales que se localizan en la base de dicha unidad geológica.
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descrito como un “multiacuífero colgado central” (Braojos et al., 1996). Este trabajo zonifica la isla en ocho sectores y menciona por primera vez, que la superficie piezométrica puede estar escalonada debido al efecto de la red de diques.
En la actualidad, el documento de gestión de los recursos hídricos de la isla es el Plan Hidrológico Insular de La Gomera (PHIG; Soler et al., 2002) que constituye un documento administrativo esencial. Está principalmente basado en los estudios del APHIG y el modelo conceptual que presenta es el mismo, con la excepción de los materiales del Edificio Antiguo Inferior que son considerados como permeables en el sur de la isla.
Durante las décadas de los 80 y 90 el IGME llevó a cabo una serie de estudios de control del agua subterránea en la isla (IGME, 1985; 1986; 1987 y 1990) y de abastecimiento (IGME, 1982 y Carrasco & Olmedo, 1986). Probablemente, el más importante fue La actualización del inventario de nacientes de la isla de La Gomera (Navarro et al., 1991) en el que se llevó a cabo el estudio de los más de 300 manantiales de la isla. Además, específicamente acerca de la hidroquímica del agua subterránea de la isla se han realizado varios trabajos. Custodio & Manzano, (1990) realizaron un estudio hidroquímico e isotópico preliminar de las aguas subterráneas de la isla sugiriendo dos posibles modelos conceptuales: un único acuífero para toda la isla o diferentes acuíferos colgados. En 1997 Skupień elaboró su Tesis Doctoral acerca de la composición hidroquímica e isotópica del agua subterránea de la isla aumentando el conocimiento de la hidroquímica de la isla así como de sus parámetros hidráulicos, aunque no sobre su modelo conceptual. Finalmente, el trabajo de Leal (2008) centrado en la hidroquímica de los nacientes tenía como objetivo encontrar posibles zonas de trasvase desde el acuífero localizado en Edificio Reciente hacia el formado por los materiales del Edificio Antiguo Superior, aunque no obtuvo resultados concluyentes.
En los últimos años, la hidrología de la isla se ha estudiado desde el punto de vista de la hidrología forestal del bosque de laurisilva (García-Santos, 2007; García-Santos & Bruijnzeel, 2011; Izquierdo et al., 2011a; Regalado & Ritter, 2005; Ritter et al., 2008; 2009), los valores de recarga de los acuíferos (Izquierdo & Márquez, 2008) y la construcción de dos nuevas galerías en la isla, Ipalán (Izquierdo et al., 2009; 2011b) y Valle Gran Rey.
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El objetivo principal de este trabajo de investigación es realizar un estudio hidrogeológico completo de La Gomera (Islas Canarias) siguiendo todos los pasos necesarios para el desarrollo del un modelo de flujo conceptual de la isla y evaluar la posibilidad de desarrollar un modelo de flujo numérico. Por ello, los objetivos de este estudio son:
- Desarrollar e implementar una geodatabase en el formato ArcGIS Data Model que integre y organice toda la información geográfica y temática necesaria para el estudio hidrogeológico de La Gomera.
-Calcular la recarga mensual para el periodo 1980 – 2009 que ha ocurrido en la isla mediante el cálculo de un balance hídrico que tenga en cuenta todas las entradas y salidas, incluyendo la precipitación horizontal.
- Definir y describir las unidades hidroestratigráficas de la isla en relación con sus unidades volcanoestratigráficas y delimitar su geometría tridimensionalmente. - Calcular los parámetros hidráulicos de las unidades hidroestratigráficas definidas. - Identificar y zonificar los distintos sistemas acuíferos de la isla para mejorar la gestión
de sus recursos hídricos
- Desarrollar el modelo de flujo conceptual de La Gomera.
METODOLOGÍA
Para el diseño y la implementación de la geodatabase en el formato ArcGIS Data Model se ha usado un Sistema de Información Geográfica (SIG), en concreto, el software ArcGIS ArcInfo 9.2. Parte del trabajo desarrollado y el aprendizaje de nuevas técnicas SIG se llevó a cabo durante una estancia de seis semanas en la University of Texas at San Antonio
(EEUU) con el Dr. Kyle Murray. El balance hídrico (1980/81 – 2008/09) del Capítulo III se realizó a partir de datos de precipitación y temperatura de la Agencia Estatal de Meteorología, así como del Parque Nacional de Garajonay. Para el cálculo de la recarga en la isla se han realizado dos balances hídricos de forma que se maximice la cantidad de
agua evapotranspirada en uno y recargada en otro, obteniendo un rango de valores que permite mejorar la gestión de los recursos hídricos de la isla. Para su realización, así como el análisis y la interpretación de los resultados se han utilizado bases de datos en diferentes programas informáticos y así poder obtener los resultados en forma de mapas, gráficos y tablas. Además, por primera vez los valores de precipitación
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identificar posibles zonas de trasvase entre uno y otro. Se ha utilizado una aproximación geológica clásica combinada con el uso del SIG desarrollado para la isla para obtener los mapas hidrogeológicos así como los cortes geológicos. Finalmente, la reconstrucción tridimensional de la geometría de las unidades se ha realizado usando el programa ArcGIS y las técnicas aprendidas en la University of Texas at San Antonio (EEUU). El cálculo de los parámetros hidráulicos de los acuíferos de la isla (Capítulo V) se ha realizado utilizando la metodología de los gráficos de diagnóstico para los datos bibliográficos de los ensayos de bombeo de los que disponíamos. Esta metodología nos ha permitido la identificación del modelo conceptual apropiado que se ajustara mejor a los datos reales para calcular los parámetros hidráulicos del acuífero. Este trabajo se realizó en la Université de Neuchâtel
(Suiza) con el Dr. Philippe Renard. En Capítulo VI se integran los resultados del Capítulo II al V para desarrollar el modelo conceptual de la isla después de revisar los modelos conceptuales previos y analizar distintos factores propios de acuíferos volcánicos en la isla como los diques, las brechas de deslizamiento, la distancia al centro de emisión o la altura en el edificio volcánico. Además, se ha realizado una zonificación de la isla en sistemas acuíferos basada, por primera vez, en criterios geológicos e hidrogeológicos de cada sistema, lo que permitirá una mejor gestión de los recursos hídricos subterráneos de la isla. Por último, se ha intentado desarrollar un modelo de flujo numérico usando el programa informático Processing Modflow for Windows (PMWIN) Version 5.3 que usa el código MODFLOW desarrollado por el Servicio Geológico de los EEUU (USGS en sus siglas en inglés) en una estancia breve predoctoral de 13 semanas en la Université Paris 6 - Pierre et Marie Curie (Francia). En total, para la realización de esta Tesis Doctoral, se han llevado a cabo 13 campañas de campo y se han utilizado los programas informáticos R, ArcGIS, MATLAB y PMWIN.
CONCLUSIONES
El diseño y la implementación de un ArcGIS Data Model para La Gomera ha permitido desarrollar un modelo conceptual de flujo dentro de un marco eficiente para la conceptualización y la interpretación de la hidrogeología de la isla, ya que los datos necesarios para la realización de estudios hidrogeológicos son complejos e incluyen datos relacionados con la geología, geomorfología, tipo de suelo, clima, uso del suelo, topografía, etc.
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extremadamente secos, por lo que se desaconseja el uso de los valores medios anuales en la gestión de los recursos hídricos de la isla.
Este trabajo presenta los primeros resultados de la modelización de la precipitación horizontal a lo largo de un año y su distribución espacial en La Gomera. Los resultados muestran cómo la captación de niebla duplica los valores de la precipitación convencional durante los meses húmedos y supone el 600% del aporte durante los meses secos. Los valores obtenidos varían entre 13 mm para los meses de verano y 178 mm para los meses más húmedos.
Los valores medios anuales de recarga obtenidos mediante dos métodos distintos (A y B) se corresponden con un rango de valores que permite conocer los límites máximos y mínimos de la misma para la isla. Varían entre 14 a 43 hm3 medios anuales.
Espacialmente, la mayor parte de la recarga ocurre en la zona central de la isla tanto en el método A como en el B, coincidiendo con los materiales volcánicos más recientes de la isla y con la zona de máxima precipitación.
La suma de la precipitación horizontal a la precipitación de la isla tiene un efecto significativo en los valores de recarga de La Gomera. La precipitación horizontal no sólo mantiene el bosque de laurisilva durante los meses secos sino que es una entrada de agua extra durante los meses de invierno, reduciendo la evapotranspiración real y por tanto, aumentando los valores de recarga.
El rango de valores obtenido para la recarga de los acuíferos insulares es menor que el calculado en el Plan Hidrológico Insular de La Gomera aún incluyendo la precipitación horizontal, por lo que para una correcta gestión de los recursos hídricos de la isla deberían reevaluarse dichos valores en la futura revisión y actualización del Plan Hidrológico Insular.
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La geometría de la Brecha Volcanoclástica en Enchereda muestra una superficie coherente en su área más elevada con un buzamiento general de 13º hacia el ESE, lo que está de acuerdo con que las brechas no afloren dentro de la galería de Ipalán ni en los acantilados de la costa donde sólo aparecen coladas del Edificio Antiguo Superior. Este depósito ha sido interpretado en el campo como brechas de debris avalanche, y se ha reconstruido tridimensionalmente su geometría hasta la actual línea de costa para conocer la posible geometría de todo el acuífero.
El estudio de campo de detalle de los depósitos de la base del Edificio Reciente ha permitido describirlos, algunos de ellos por primera vez, como depósitos volcanoclásticos y en algunos casos como depósitos de corrientes piroclásticas (flujos piroclásticos u oleadas piroclásticas). Interpretaciones previas habían definido la mayoría de estos depósitos como sedimentarios, incluso cuando están formados básicamente por clastos juveniles, presentan laminación o laminación cruzada o un buzamiento extremadamente alto, lo que claramente indica que su origen fue una corriente piroclástica húmeda.
La reconstrucción de la geometría de los depósitos volcanoclásticos de la base del Edifico Reciente en el área central y occidental de la isla muestra una superficie coherente y continua que buza hacia el sur. Esta superficie se adapta claramente a un paleorrelieve existente cuya máxima profundidad se encuentra entre los actuales Barranco de Arure y Barranco de Valle Gran Rey con una dirección E-O que cambia a NE-SO. Además, es posible distinguir otro paleorrelieve menos profundo en la cabecera de Valle Gran Rey que explicaría la gran cantidad de agua que descarga el acuífero en ese punto en los nacientes de Guadá.
La reconstrucción de los depósitos volcanoclásticos que afloran entre Valle Gran Rey y Erque sugiere que ambos se adaptan a un paleorrelieve. Al no existir afloramiento de dicho depósito en el Barranco de Iguala puede tener lugar un trasvase agua subterránea entre al acuífero superior y el inferior en esta zona. Las edades obtenidas en este trabajo para la primera colada sobre estos depósitos en la cabecera de los barrancos de Valle Gran Rey (5,2 ± 0,1 Ma) y Erque (4,6 ± 0,1 Ma) señalan una diferencia temporal significativa incompatible con la hipótesis de que ambos depósitos sean producto de un único evento volcánico.
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valores de transmisividad similares a los obtenidos previamente mediante métodos clásicos. Ambas metodologías ponen de manifiesto la alta variabilidad de las propiedades hidráulicas de los acuíferos volcánicos.
La influencia de los diques en el flujo del agua subterránea es difícil de evaluar puesto que a veces son menos permeables que la roca caja mientras que, otras veces, crean zonas de flujo preferente. Por ello, se ha realizado un estudio detallado de los diques en distintas zonas de la isla. Los resultados obtenidos del estudio de los diques en Enchereda muestra que en su área más elevada hay una densidad de 10-15 diques/100 m con un enjambre principal de dirección NO-SE que canaliza el agua subterránea desde el área de recarga hasta el mar. Los otros enjambres identificados, N-S, NE-SO y E-O cortan estos canales actuando como barreras de baja permeabilidad y creando compartimentos donde el agua se almacena y forma una superficie piezométrica escalonada. Esta superficie escalonada se produce en la parte más elevada a lo largo de aproximadamente 3 km en la dirección principal del flujo, mientras que cerca de la costa el número de diques desciende (0.4 diques/100 m) permitiendo al agua subterránea moverse más libremente y crear un nivel piezométrico continuo. Una situación similar ocurre en Erque donde la máxima densidad de diques (9-13 diques/100 m) tiene unas direcciones principales N10 y N-S, las cuales son, en principio, las mismas que las del agua subterránea fluyendo hacia el mar, por lo que los diques canalizan ese flujo en el interior del acuífero. El estudio de los diques en el interior de la galería de Valle Gran Rey muestra que actúan como barreras al flujo del agua en el acuífero basal, escalonando la superficie piezométrica. Por otra parte, los diques que afloran en el acuífero superior pueden estar influenciando la descarga de agua en forma de nacientes al cortar una zona de flujo preferente, como por ejemplo en los nacientes de Guadá que se encuentran en el margen oriental del barranco.
Se ha realizado un seguimiento de trece de los más de 300 nacientes de la isla, al final de la estación húmeda y al final de la estación seca desde 2007 hasta 2009. Sólo el naciente Chorros de Epina resultó ser sensible a la sucesión de varios años secos. Mientras, los nacientes principales, los que se encuentran en Guadá, Erque o Lomo del Carretón, muestran una baja variabilidad en su caudal de una estación a otra o interanualmente.
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son: Sistema acuífero I Vallehermoso - Hermigua; Sistema acuífero II El Cedro - Agulo; Sistema acuífero III Alojera – Valle Gran Rey; Sistema acuífero IV Alajeró; y Sistema acuífero V Enchereda.
Vallehermoso – Hermigua se considera impermeable, aunque algo de flujo subterráneo ocurre entre las fracturas y algunos pequeños nacientes descargan este agua. Sin embargo, la totalidad de las rocas que afloran en este área no pueden considerarse un acuífero ya que no almacenan agua.
En el sistema acuífero de El Cedro – Agulo sólo aparece el acuífero superior. Su balance hídrico no presenta ningún síntoma de sobreexplotación ya que el agua descarga de forma natural en forma de nacientes y el resto lo hace al mar sin ser explotada.
En el sistema acuífero de Alojera – Valle Gran Rey aparecen ambos acuíferos, el superior y el basal. La mayor parte del agua fluye en el acuífero superior siguiendo los paleorrelieves principales y descargando a través de los nacientes del sistema. Además, cierta cantidad de agua debe trasvasar del acuífero superior al basal cerca del centro de la isla, donde probablemente los Basaltos Recientes se apoyen directamente sobre los Basaltos Antiguos Superiores. La máxima descarga submarina calculada es bastante alta, 5,82 hm3, mientras
que en un escenario de mínima recarga el sistema se encontraría sobreexplotado.
En el sistema acuífero de Alajeró el acuífero basal ocupa gran parte de su extensión. El área principal de recarga se encuentra en el acuífero superior y el agua subterránea fluye desde ahí hacia el sur, bien descargando en forma de nacientes cuando aparece algún depósito volcanoclástico en su base, bien pasando al acuífero basal y descargando en el mar. Los valores negativos obtenidos en el balance hídrico de este sistema acuífero implican que se encuentra sobreexplotado y que los pozos cercanos a la costa se verían afectados por intrusión marina. Sin embargo, debido a su gran extensión y a la irregular distribución de los pozos, subdividirlo podría implicar una mejora en el conocimiento y la gestión de sus recursos hídricos.
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sobreexplotado. Esto es lo que puede haber ocurrido durante los últimos años de sequía ya que los sondeos situados en Alto Enchereda muestran un descenso en el nivel piezométrico.
Los modelos conceptuales previos para La Gomera han desarrollado un único mecanismo de funcionamiento hidrogeológico para la isla. Sin embargo, la complejidad y heterogeneidad de la geología de La Gomera, como la de otras islas volcánicas, muestra claramente cómo el agua subterránea que se encuentra en una misma unidad hidroestratigráfica puede fluir de maneras muy diversas debido a que el resto de elementos geológicos deben tenerse en cuenta (por ejemplo, los diques, las brechas de
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A
GRADECIMIENTOS
A mis padres y al resto de mi familia por su apoyo incondicional a lo largo de todos estos años, sin ellos esto no hubiera sido posible. Mención especial merecen mi madre y mi primo Ismael, por haberme acompañado al campo subiendo y bajando barrancos en la isla, ayudándome en los aforos y en el muestreo de los piroclastos dejándose la piel en ello, literalmente y mi padre, por su apoyo y ayuda en los últimos meses de esta locura.
Juan es coautor de esta tesis, no de forma académica o científica pero su apoyo desde que empecé esta locura no tiene precio y si a alguien le debo el haber llegado hasta aquí es a él. Cristina siempre ha pensado que estos años viajaba a Canarias (a una isla cerca de Tenerife) a mirar piedras y a pasearme con un cubito pero, aún así, ha estado ahí porque sabía lo importante que era para mi. Gracias a Sonia que no ha dejado de animarme ni un solo momento. A Laura, que la voy a decir que no sepa, nos conocimos al principio de un camino que hemos recorrido juntas y sólo espero que sigamos viéndonos avanzar, gracias por saber leerme y, ¡a ver para cuando una modelización superficial-subterránea! Manu, gracias por tu infinita paciencia y tus consejos en los últimos meses, has compensado la balanza.
A todos los gomeros y gomeras que me han ayudado en el campo y a todos los que después de verme tanto por allí me han ofrecido su ayuda. Gracias a la hospitalidad y ayuda de Conchi, poder contar con ella me dio tranquilidad en el campo, además de tener el mejor hotel de La Gomera. A Pedro y a Charo (gomeros de adopción) por los contactos tan valiosos a la hora de acceder a los nacientes y de conseguir información y sobre todo, por su hospitalidad y generosidad. Al Consejo Insular de Aguas de La Gomera: Carlos Suárez, Miguel, Francis y Eduardo y por supuesto a Lola. A Enrique Amaya y a su mujer por enseñarnos la galería de Agulo y los datos de caudal de la misma así como al Secretario de la Comunidad de Regantes de Hermigua. A Carlos Soler, Miriam Hernández y Raúl de la Dirección General de Aguas de Canarias tanto por la información proporcionada, como por la oportunidad de poder aplicar los conocimientos de hidrogeología de la isla en obras hidráulicas de gran importancia para la gestión de los recursos hídricos de La Gomera. A Juan Coello por su amabilidad y el acceso a los informes técnicos de la Fundación Telesforo Bravo – Juan Coello.
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le he necesitado, gracias por pasar un fin de semana en la isla para poder conocerla. A Philippe Renard por su inestimable ayuda en la interpretación de los ensayos de bombeo y el uso de Hytool. A Sophie Violette que sin conocerme intentó por todos los medios que el modelo de flujo funcionara y a mis compañeros en Sysiphe, Guillaume, Paul, Pierre, François, Ugo, Marie y Agnes por darme a conocer la picon bière!
En la “Juancarlos” muchos de mis “profes” de la carrera hicieron que poco a poco tuviera más claro que esto de investigar era lo que quería hacer; entre ellos, Adrián, Isabel o Rosa que en algún u otro momento me supieron escuchar y aconsejar o simplemente influyeron en mi forma de ver esta profesión. Los comienzos siempre son duros y sin embargo, de la época en el despacho 209 del Depar I guardo los mejores recuerdos. Luisiño siempre tenía una frase de ánimo a última hora del día cuando no quedaba nadie más en el pasillo al igual que, por entonces mis compis de despacho, Isa y Mariajo. Javier e Iván a quién siempre recordaré por mi primera clase en la universidad (Geo) y 11 años después aquí estamos. Inma, gracias por iniciarme en el mundo de los SIG y Fidel gracias por esas conversaciones a última hora de la tarde, por preocuparte, escucharme y ayudarme, ya sabes que estamos por encima de todo. Gracias a Paco por todo lo bueno a pesar de todo lo malo. Después de la mudanza, María, a quién le cedo el testigo de ser la próxima en leer la tesis en el Área, y Raquel consiguieron que no me sintiera tan sola en esto de la tesis (aunque las dos hayan abandonado Móstoles!). A Alfonso por su tiempo y su paciencia en intentar que el MODFLOW llenara el acuífero.
Gracias a Raquel por compartir su conocimiento de la geología de la isla y por haber estado a mi lado en el momento más difícil. Y, last but not least, mi jefe que para bien o para mal será siempre el que me dirigió la Tesis. Podría darle las gracias por la oportunidad de trabajar con él pero la realidad es que, a pesar de lo complicado y particular de la relación director - doctoranda prácticamente siempre ha sabido decir lo que necesitaba escuchar en los momentos más difíciles para mí. Además, en estos años trabajando con él, que desde que empecé el Practicum en 2004 son unos cuantos, a parte de descubrirme Canarias y las islas volcánicas, ha conseguido que la geología me parezca una ciencia apasionante y que haya aprendido que en investigación si uno cree en lo que está haciendo las cosas salen adelante y “sólo” hay que ser paciente y constante. Gracias.
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T
ABLE OF
C
ONTENTS
Chapter I. Introduction 1
1. General approach 3
2. Environmental features of La Gomera 4
2.1. Geographic location 4
2.2. Geological settings 5
2.3. Climatology 8
2.4. Geomorphology 10
2.5. Plant formations 11
2.6. Hydrological context and water use in La Gomera 13
3. Thesis outline and objectives 17
3.1. Previous hydrological works in La Gomera 17
3.2. Overview and objectives 18
Chapter II. La Gomera ArcGIS Data Model
23
1- Introduction 25
2- Data gathered and La Gomera ArcGIS Data Model 27
2.1. Definition of the reference system 27
2.2. Geographic and administrative information (Base Map Data Model) 28
2.3. Thematic information 29
2.4. Satellite imagery 30
2.5. La Gomera ArcGIS Data Model 32
Chapter III. Water budget
35
1. Introduction 37
2. Methodology 40
2.1- Rainfall 40
2.2- Fog drip model 44
2.3- Runoff 48
2.4- Temperature and potential evapotranspiration 49 2.5- Water budget models: calculating actual evapotranspiration and recharge 51
3. Results 52
3.1- Rainfall 52
3.2- Fog drip model and total rainfall 53
3.3- Runoff 55
xiv
4. Discussion 61
Chapter IV. Hydrostratigraphic units
67
1. Volcanostratigraphic model of La Gomera 69
2. Definition and description of the hydrostratigraphic units of La Gomera 73
2.1. Introduction 73
2.2. Non-permeable basement 73
2.3. Basal aquifer 75
2.4. Upper aquifer 76
3. Geometry of the hydrostratigraphic units 78
3.1. Basal aquifer 78
3.2. Upper aquifer 84
3.3. Connection between the Upper and Basal aquifers 98
4. Discussion 103
Chapter V. Hydrogeological features
105
1. Introduction 107
2. Methodology 112
2.1. Analysis of pumping tests using diagnostic plots 112
2.2. Water tunnel hydraulics 114
3. Hydrogeological features 116
3.1. Erque 116
3.2. Barranco de La Negra 117
3.3. Enchereda 119
4. Discussion 125
Chapter VI. Conceptual model of La Gomera aquifers
129
1. Introduction 131
2. Influence of the depth in the Edifice and distance to the emission centre 135
3. The role of dikes 138
3.1. Attitude and density of dikes in Valle Gran Rey 138
3.2. Attitude and density of dikes in Erque 139
3.3. Attitude and density of dikes in Enchereda 140 3.4. Attitude and density of dikes in the centre of the island 143
4. Large flank failures 146
5. Spring analysis 147
xv
6.1. Vallehermoso – Hermigua aquifer system 153
6.2. El Cedro – Agulo aquifer system 154
6.3. Alojera – Valle Gran Rey aquifer system 156
6.4. Alajeró aquifer system 159
6.5. Enchereda aquifer system 161
7. Discussion: La Gomera conceptual groundwater flow model 164
Chapter VII. General discussion
171
Chapter VIII. Conclusions
185
xvii
L
IST OF
F
IGURES
Chapter I
Figure 1.1. Geographic location of the island of La Gomera (UTM coordinates).
Figure 1.2. Geologic scheme of La Gomera and simplified volcanostratigraphical model for the island of La Gomera. (modified from Ancochea et al., 2004; Ancochea et al., 2006 and Herrera, 2008).
Figure 1.3. a) Basal Complex in the area of Agulo (red circle show a geologist hammer); b) Angular discordance in the contact between the Old Edifice and the Young Edifice in Valle Gran Rey; c) felsic domes from the Young Edifice more resistant to erosion; and d) intracanyon lava flow in Barranco de Machal dated in 1.94±0.03 Ma by Paris et al. (2005b) and in 2.35±0.27 Ma by Cueto et al. (2004d).
Figure 1.4. Images of the sea of clouds: a) satellite image (www.nasa.gov); b) overflow of the cloud from Alojera (northwest); c) sea of clouds in El Cedro with Teide volcano in the background.
Figure 1.5. Climograph of the weather station 316A located windward (Agulo) at 840 m.a.s.l. and of the station 326C located leeward (Alajeró) at 810 m.a.s.l. (Data from AEMET).
Figure 1.6. a) Shaded relief with vertical illumination of the Digital Elevation Model; b) Aerial view of Taguluche (west of the island) in which is seen the difference between the Young Edifice, the Old Edifice and the coastal cliffs (http://www.rinconesdelatlantico.com).
Figure 1.7. a) Potential vegetation map of the island (modified from Rivas Martinez, 1976); b). Vegetation plant formations of the island (modified from Santolalla, 1997).
Figure 1.8. a) Laurel forest inside Garajonay National Park; b) Euphorbia formation in La Loma de San Sebastián (East of the island).
Figure 1.9. a) El Cedro stream; b) Chejelipes dam in Barranco de La Villa.
Figure 1.10. Hydrosratigraphic map of La Gomera with the main springs, wells and boreholes of the island.
Figure 1.11. Piper diagram for the analyzed springs differentiated by its location for the year 1991 (modified from Leal, 2008).
Figure 1.12. a) Example of the irrigation network of the island (La Gomera Council, www.cabildogomera.org); b) Aqueduct in Barranco de Benchijigua.
xviii
Chapter II
Figure 2.1. Synthetic cartographic model proposed for this PhD research.
Figure 2.2. Base Map Data Model for La Gomera developed using the geographic information provided by GRAFCAN, S.A. (http://tiendavirtual.grafcan.es/index.jsf; see Appendix Chapter II for a full resolution image).
Figure 2.3. La Gomera ArcGIS Data Model (see Appendix Chapter II for a full resolution image).
Chapter III
Figure 3.1. Map with the rain gauges used in this study classified in homogeneous groups of rainfall behaviour.
Figure 3.2. a) Weather station 324-L Caseta de los Noruegos with a rain gauge and a rain recorder; b) Inside of a rain recorder (www.meteosort.com); c) Inside of a rain gauge Hellman model (WMO, 1998).
Figure 3.3. Mesh used in the interpolation with a cell size of 500 m, derived from the DEM 5 m cell size.
Figure 3.4. Experimental semivariogram for January 2004 data. The curve represents the theoretical model of the adjusted semivariogram.
Figure 3.5. Maximum and minimum altitude of the sea of clouds for La Gomera (modified from Valladares, 1996).
Figure 3.6. Overall distribution of wind direction frequency (Black shapes) expressed as % of hours at the Laguna Grande ridge top site between February 2003 and January 2004. White shape represents wind direction frequencies during times of fog.
Figure 3.7. Examples of different types of leaves in the evergreen forest of La Gomera: a)
Laurus azorica; b) Picconia excelsa; c) Erica arborea; and d) Myrica faya. Figure 3.8. Map with the thermometers used in this research.
Figure 3.9. Mean monthly rainfall maps (mm) for the studied time series (1980/81-2008/09).
Figure 3.10. Annual rainfall since 1980/81 to 2008/09; the dotted line represents the temporal series mean.
Figure 3.11. Monthly fog drip maps (mm).
xix
Figure 3.13. Mean monthly runoff maps (mm) for the studied time series (1980/81-2008/09).
Figure 3.14. Annual runoff since 1980/81 to 2008/09; the dotted line represents the temporal series mean.
Figure 3.15. Mean monthly potential evapotranspiration maps (mm) for the studied time series (1980/81-2008/09).
Figure 3.16. Mean monthly actual evapotranspiration maps (mm) – method A for the studied time series (1980/81-2008/09).
Figure 3.17. Mean monthly actual evapotranspiration maps (mm) – method B for the studied time series (1980/81-2008/09).
Figure 3.18. Annual actual evapotranspiration since 1980/81 to 2008/09. Dark orange line represents the evapotranspiration calculated by method A and light orange line the one calculated by method B; dotted lines represent the temporal series mean.
Figure 3.19. Mean monthly recharge maps (mm) – method A for the studied time series (1980/81-2008/09).
Figure 3.20. Mean monthly recharge maps (mm) – method B for the studied time series (1980/81-2008/09).
Figure 3.21. Annual recharge since 1980/81 to 2008/09. Dark purple line represents the recharge calculated by method A and light purple line the one calculated by method B; dotted lines represent the temporal series mean.
Figure 3.22. Mean annual rainfall map: a) General Hydrogeological Study of the Island of la Gomera (Porras et al., 1985); b) PHIG (Soler et al., 2002); and c) this research.
Figure 3.23. Mean annual actual evapotranspiration map: a) APHIG (Soler, 1996); b) method A in this research; and c) method B in this research.
Figure 3.24. Mean annual recharge map: a) APHIG (Soler, 1996); b) method A in this research; and c) method B in this research.
Figure 3.25. Annual temporal evolution of the variables that constitute the water budget. Figure 3.26. Graphic comparison among the different published water budgets for La
Gomera (values in hm3).
Chapter IV
Figure 4.1. Simplified geological map of the main stratigraphical units of La Gomera modified from Ancochea et al. (2006).
Figure 4.2. Map of the hydrostratigraphic units.
xx
Figure 4.4. The LOE materials forming the basal aquifer: a) Barranco de Erque; b) Valle Gran Rey; c) Las Lajas – Aguajilva.
Figure 4.5. The UOE materials forming the basal aquifer: a) Valle Gran Rey; b) Enchereda; c) detail of the scoriaceous lava flows in Enchereda.
Figure 4.6. The upper aquifer: a) in Taguluche; b) in Barranco de Arure.
Figure 4.7. a) Geological map of Valle Gran Rey (modified from Cueto el at., 2004b); b) Geological cross section of Valle Gran Rey eastern margin.
Figure 4.8. Geographic location and cross-section of the boreholes in Barranco de La Negra (modified from Porras et al., (1985)).
Figure 4.9. Geological map of Enchereda (modified from Cueto el at., 2004a; 2004b). Figure 4.10. Cross-sections of Enchereda breccia.
Figure 4.11. Three-dimensional reconstruction of the breccia top that limits the Basal aquifer in Enchereda sector: a) no change in the dip calculated for the highest area; b) change in the dip at sea level.
Figure 4.12. General view of the volcanoclastic deposit outcrop El Cedro. Figure 4.13. Geological map of El Cedro (modified from Cueto el at., 2004b). Figure 4.14. Schematic stratigraphic section of El Cedro volcanoclastic deposit. Figure 4.15. a) Pyroclastic deposit in Imada; b) breccia deposit in Tajaqué. Figure 4.16. Geological map of Erque (modified from Cueto el at., 2004b). Figure 4.17. Schematic stratigraphic section of Erque volcalastic deposit. Figure 4.18. a) West margin of Valle Gran Rey; b) East margin of Valle Gran Rey.
Figure 4.19. Geological map of Arure and Valle Gran Rey (modified from Cueto el at., 2004b).
Figure 4.20. Schematic stratigraphic section of Arure – Valle Gran Rey volcanoclastic deposit.
Figure 4.21. Unconformities between the different materials in Heredia (Figure 4.22.). Figure 4.22. Geological map of Lomo del Carretón - Andenes de Alojera (modified from
Cueto el at., 2004b).
Figure 4.23. Schematic stratigraphic section of Lomo del Carretón - Andenes de Alojera volcanoclastic deposit.
Figure 4.24. Geological map showing the cross-sections realized to see the connection between the Upper and Basal aquifers.
Figure 4.25. Cross-sections I, II, III and IV from Andenes de Alojera - Lomos del Carretón to Arure - Valle Gran Rey.
Figure 4.26. Three-dimensional reconstruction of the pyroclastic deposit top between Andenes de Alojera – Epina and Valle Gran Rey – Arure.
xxi
Chapter V
Figure 5.1. Map showing the wells whose pumping tests data is analyze in this chapter. SGOPU was a previous borehole from which there is no data.
Figure 5.2. Most typical diagnostic plots encountered in hydrogeology: a) Theis model: infinite two-dimensional confined aquifer; b) double porosity or unconfined aquifer; c) infinite linear no-flow boundary; d) infinite linear constant head boundary; e) leaky aquifer; f) well-bore storage and skin effect; g) infinite conductivity vertical fracture.; h) general radial flow—non-integer flow dimension smaller than 2; i) general radial flow model—non-integer flow dimension larger than 2; j) combined effect of well bore storage and infinite linear constant head boundary (Renard et al., 2009).
Figure 5.3. Kahana tunnel free-flow decay (Takasaki & Mink, 1985).
Figure 5.4. Erque II diagnostic plots: a) log-log scale; b) semi-log scale; c) Erque II diagnostic plot superposed with a fitted Papadopulos & Cooper (1967) solution (wellbore storage effect).
Figure 5.5. S1 diagnostic plots: a) log-log scale; b) semi-log scale; c) S1 diagnostic plot superposed with a fitted Papadopulos & Cooper (1967) and Warren & Root (1965) combined solution (wellbore storage effect and double porosity aquifer).
Figure 5.6. S3 diagnostic plots: a) log-log scale; b) semi-log scale; c) S3 diagnostic plot superposed with a fitted Papadopulos & Cooper (1967) and Warren & Root (1965) combined solution (wellbore storage effect and double porosity aquifer).
Figure 5.7. S4 diagnostic plots: a) log-log scale; b) semi-log scale; c) S4 diagnostic plot superposed with a fitted Papadopulos & Cooper (1967) and Warren & Root (1965) combined solution (wellbore storage effect and double porosity aquifer).
Figure 5.8. Cañada Hurona diagnostic plots: a) log-log scale; b) semi-log scale; c) Cañada Hurona diagnostic plot superposed with a fitted Papadopulos & Cooper (1967) solution (wellbore storage effect); d) a Papadopulos & Cooper (1967) solution (wellbore storage effect) for the early times; and e) a Theis (1935) solution for the late times.
Figure 5.9. Enchereda diagnostic plots: a) log-log scale; b) semi-log scale showing the three differentiated behaviours; c) Enchereda diagnostic plot superposed with a fitted Warren & Root (1965) solution (double porosity aquifer); d) a no-flow boundary solution for the late times.
xxii
Figure 5.11. Juel diagnostic plots: a) log-log scale; b) semi-log scale; c) Juel diagnostic plot superposed with a fitted Papadopulos & Cooper (1967) solution (wellbore storage effect).
Figure 5.12. Ipalán water tunnel free-flow decay.
Chapter VI
Figure 6.1. Scoria cones mapped by Cueto et al. (2004a; 2004b; 2004c; 2004d and 2004e) for the La Gomera Upper Old Edifice and Young Edifice that can influence the piezometric level mainly in the Basal aquifer (geological map modified from Ancochea
et al., 2006).
Figure 6.2. Geological map of Valle Gran Rey in which the mapped dikes inside the water tunnel and across the barranco are represented as well as the boreholes and main springs.
Figure 6.3. a) Geological map of Erque with the mapped dikes represented in it; b) Rose diagram of the dikes mapped cutting cross the LOB.
Figure 6.4. a) Mapped dikes in the desk study using aerial photography and ortophotography and location of the springs and boreholes in Enchereda; b) Rose diagram of the dikes mapped.
Figure 6.5. a) Mapped dikes in the field along Enchereda track and inside Ipalán water tunnel. Dashed lines represent the cross-sections of Figure 7; b) Rose diagrams for the two groups of mapped dikes.
Figure 6.6. a) Mapped dikes in the field close to the coast in the SE area of the sector; b) Rose diagram of the mapped dikes.
Figure 6.7. a) Mapped dikes in the centre of the island; b) Rose diagram showing no preferential direction.
Figure 6.8. Simplified geological map 8 modified from Ancochea et al., 2006) and location of the island springs and the ones selected to be monitored (in purple).
Figure 6.9. Hydrograph representing the discharge of those monitored springs in this research with a discharge rate > 1 l/s and the rainfall for the wet and dry season of years 2006/07 – 2008/09.
Figure 6.10. Temporal series 1979 – 2009 for seven of the ten monitored springs in this research.
xxiii
Figure 6.12. A) Maximum recharge calculated for El Cedro - Agulo aquifer system; B) Minimum recharge calculated for El Cedro - Agulo aquifer system (Detailed maps from Chapter III; Izquierdo et al., 2010).
Figure 6.14. A) Maximum recharge calculated for Alojera – Valle Gran Rey aquifer system; B) Minimum recharge calculated for Alojera – Valle Gran Rey aquifer system (Detailed maps from Chapter III; Izquierdo et al., 2010).
Figure 6.15. A) Maximum recharge calculated for Alajeró aquifer system; B) Minimum recharge calculated for Alajeró aquifer system (Detailed maps from Chapter III; Izquierdo et al., 2010).
Figure 6.13. A) Maximum recharge calculated for Enchereda aquifer system; B) Minimum recharge calculated for Enchereda aquifer system (Detailed maps from Chapter III; Izquierdo et al., 2010).
Chapter VII
Figure 7.1. Graphical representation of the simulated hydraulic heads for a row of the numerical model for Enchereda aquifer system.
Figure 7.2. a) APHIG (Soler, 1996) classification map; b) this research classification map. Figure 7.3.A) The Ghyben-Herzberg principle use to estimate the depth where the brackish
xxv
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IST OF
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ABLES
Chapter I
Table I.I. Modified from PHIG (Soler et al., 2002).
Chapter III
Table III.I. Comparison among the different published water budgets for La Gomera. Table III.II. List of the rain gauges used. In bold appear those visited in the field.
Table III.III. Relation between the aspect of a cell and its potential influenced by the cloud. Table III.IV. Potential to collect fog of each type of vegetation defined.
Table III.V. List of the temperature gauges used. In bold appear those visited in the field. Table III.VI. Soil moisture storage capacity used in this work for the different soils of La
Gomera. (a) Fernández et al. (1974); (b) Shade (1997).
Table III.VII. Comparison among the different published water budgets for La Gomera (values in hm3).
Chapter IV
Table IV.I. Volcanostratigraphic model of La Gomera proposed by Herrera (2008).
Table IV.II. Correlation between the volcanostratigraphic model and the hydrostratigraphic units of La Gomera.
Chapter V
Table V.I. Characteristics of Miocean Basalts in the Canary Islands from Navarro (1974). VH, very high; H, high; MO, moderate; VL; very low; N, null.
Table V.II. Transmissivity for some of the Canarian formations (modified from Custodio, 1978).
Table V.III. Boreholes in which Porras et al. (1985) performed pumping tests. In grey those whose data have been reanalyzed in this research.
Table V.IV. Boreholes in which Soler et al. (2002) performed pumping tests. In grey those whose data have been reanalyzed in this research.
Table V.V. Summary of the transmissivity values calculated in this work.
Table V.VI. Comparison between the transmissivity values calculated in this work and the previous ones calculated in aSoler et al. (2002) and bPorras et al. (1985).
xxvi
Chapter VI
Table VI.I. Field discharge data for the monitored springs in La Gomera during the time period 2007 – 2009.
Table VI.III. Volcanostratigraphy of La Gomera (Herrera, 2008) and its correlation with the hydrostratigraphic units of Vallehermoso - Hermigua aquifer system.
Table VI.IV. Volcanostratigraphy of La Gomera (Herrera, 2008) and its correlation with the hydrostratigraphic units of El Cedro - Agulo aquifer system.
Table VI.V. Volcanostratigraphy of La Gomera (Herrera, 2008) and its correlation with the hydrostratigraphic units of Alojera – Valle Gran Rey aquifer system.
Table VI.VI. Volcanostratigraphy of La Gomera (Herrera, 2008) and its correlation with the hydrostratigraphic units of Alajeró aquifer system.
Table VI.VII. Volcanostratigraphy of La Gomera (Herrera, 2008) and its correlation with the hydrostratigraphic units of Enchereda aquifer system (Izquierdo et al., 2011b).
xxvii
P
REFACE
This dissertation presents the research realize in order to obtain the PhD Degree in Hydrology and Water Resources Management in the Universidad Rey Juan Carlos. All the works have been carried out in the Geology Group (Biology and Geology Department) of the
Universidad Rey Juan Carlos together with a 6 weeks visit to the University of Texas at San Antonio (USA), a 1 week visit to the Université de Neuchâtel (Switzerland) and a 12 weeks visit to the Université Paris 6 – Pierre et Marie Curie (France). The work has been partly funded by the projects of the Spanish Ministry of Education MEC - CGL2006-06290/BTE and the Canarian Government project entitled Estudio hidrogeológico del acuífero de La Gomera en la zona drenada por la galería de Ipalán. In addition, the grad student was funded with a teaching scholarship of the Universidad Rey Juan Carlos (Beca de Formación Docente 2006-2008) and with a research scholarship from the Madrid Government (Contrato de Personal Investigador de Apoyo de la CAM 2008-2012).
Although this PhD dissertation has been written in such a way it has a full sense different parts of the work presented here have been or are in process of being published. Chapter III was published as a Proceeding in the Spanish National Congress of the Environment 10 (CONAMA10) (Izquierdo et al., 2010). All the research related with the Enchereda aquifer system that appears in Chapters IV and VI has been published in Estudios Geológicos
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