Modelación de la interacción río acuífero y su aplicación a un caso práctico Edición Única

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(1)INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA. MODELACIÓN DE LA INTERACCIÓN RÍO – ACUÍFERO Y SU APLICACIÓN A UN CASO PRACTICO.. TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE. MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN SISTEMAS DE CALIDAD Y PRODUCTIVIDAD POR:. LINA GABRIELA HERNÁNDEZ LIMÓN. MONTERREY, N. L.. AGOSTO DE 2006.

(2) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY. CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA Los miembros del comité de tesis recomendamos que el presente proyecto de tesis presentado por la Ing. Lina Gabriela Hernández Limón sea aceptado como requisito parcial para obtener el grado académico de: Maestra en Ciencias con Especialidad en Sistemas de Calidad y Productividad Comité de Tesis:. ___________________ Dr. Jürgen Mahlknecht Asesor. ____________________________. _______________________. Dr. Francisco Román Ángel Bello Acosta Sinodal. Dr. Rafael Ernesto Bourguet Díaz Sinodal. Aprobado:. ________________________________ Dr. Francisco Román Ángel Bello Acosta Director del Programa de Graduados en Ingeniería Agosto, 2006.

(3) DEDICATORIA. Para Sergio Alberto, mi mayor estímulo y fortaleza para salir adelante, por todo el tiempo, amor y cariño que me das. Para mis padres, María del Refugio y Joaquín (†), por todo su amor, apoyo y compresión incondicional, hoy y siempre. Tito, aunque ya no físicamente, sé que siempre vas a estar con nosotros.. I.

(4) AGRADECIMIENTOS. Al Dr. Jürgen Mahlknecht, por su apoyo y comentarios para la realización de la presente tesis. Al Dr. Rafael Bourguet, por su apoyo y comentarios para el desarrollo de esta tesis. Al Dr. Francisco Ángel Bello, por su apoyo y disposición para la realización de esta tesis y sus atenciones durante toda la maestría. A las autoridades de los proyectos de WWF “Estudio de la interacción del Río Conchos con el Acuífero Meoqui –Delicias para fines de protección de los ecosistemas” y SEMARNAT “Vulnerabilidad acuífera de la cuenca del río conchos y su impacto en los ámbitos social, económico y ecológico” por permitirme participar y por su apoyo para la realización de esta tesis. A mis padres, Refugio y Joaquín, por ser mi ejemplo y por estar siempre dispuestos a apoyarme. A Sergio Alberto, por ser la luz que ilumina mi vida, por todas tus caricias siempre que llego. A mi hermano, Joaquín, por tu apoyo incondicional y tus cuidados. A Julio César, por tu compañía desde el inicio de este proyecto, por tu apoyo y tu plena confianza en todo lo que hago. A mis amigos del Centro de Estudios del Agua, por permitirme sentirme en familia con su convivencia diaria.. II.

(5) RESUMEN El manejo de los recursos hídricos tradicionalmente ha considerado como sujetos distintos los cuerpos de agua superficiales de los cuerpos de agua subterráneos. Recientemente se ha comenzado a pensar en ellos como entidades interdependientes ya que se ha comprobado que los cambios en las condiciones de uno (río) afectan al otro (acuífero) y viceversa. Esta interacción se ve mayormente afectada cuando el sistema río – acuífero se encuentra asociado a actividades humanas como lo son los distritos de riego, en donde el aprovechamiento de ambos cuerpos de agua afecta el equilibro existente en el sistema. En la modelación de la interacción del sistema río – acuífero se consideran parámetros que definen las condiciones del acuífero tales como la recarga, la conductividad hidráulica, la evaporación entre otros, y parámetros que definen las condiciones del río como la conductancia y el estado del cauce del río (la rugosidad). El objetivo en el presente trabajo fue modelar la interacción del sistema río – acuífero introduciendo los gases trazadores como herramientas de calibración, con la finalidad de proteger y mantener a los ecosistemas acuáticos presentes. La modelación fue aplicada a un caso de estudio, en donde se presenta el sistema río – acuífero asociado a un distrito de riego, encontrándose que con las condiciones actuales el flujo del agua al río se estima en 41,402 m3/d, acumulándose en el acuífero apenas 0.16 m3/d. Una vez modelada la interacción se realizaron 6 escenarios que presentan diferentes alternativas de manejo del sistema, siendo la mejor alternativa inactivar los aprovechamientos en los 2 km próximos al río para aumentar el flujo. III.

(6) del agua a 50, 227 m3/d , con lo que se bien se aumenta el caudal no es factible por ser un distrito de riego y por que los aprovechamientos forman parte del distrito de riego; por lo que se considera que la alternativa que presenta mayores beneficios sin alterar las condiciones del distrito de riego es. inactivar los. aprovechamientos de la margen derecha del río – que son pocos aprovechamientos - y alcanzar un cauce de 41,815 m3/d.. IV.

(7) ÍNDICE Dedicatoria………………………………………………………………………….... I. Agradecimientos……………………………………………………………………... II. Resumen…………………………………………………………………………....... III. Índice………….…………………………………………………………………........ V. Índice de tablas………………………………………………………………………. IX. Índice de figuras…………………………………………………………………....... X. Capitulo I. Fundamentos……………………………………………………………. 1. 1.1 Antecedentes generales….…………………………………………………….. 1. 1.2 Antecedentes en el contexto actual…………...…………………………….... 5. 1.3 Planteamiento del problema………………………………………………….... 6. 1.4 Objetivos…………………………………………………………………………. 7. 1.4.1 Objetivo general………………………………………………………….. ...... 7. 1.4.2 Objetivos particulares……………………………………………………….... 7. 1.5 Justificación…………………………………………………………………….... 8. Capitulo II. Metodología de investigación……………………………………........ 11. 2.1 Descripción del tipo de estudio………………………………………………... 11. 2.2 Descripción de los pasos para el desarrollo de la investigación…………... 11. 2.2.1 Recopilación y análisis de la información existente………………............ 11. 2.2.2 Verificación de campo y delimitación de áreas a detalle…………………. 11. 2.2.3 Censo, piezometría, hidrometría……………………………………………. 12. 2.2.4 Muestreo y análisis del agua……………………………………………….... 12. 2.2.5 Procedimiento de modelación……………………………………………….. 12. 2.2.6 Simulación de la interacción río – acuífero en distintos escenarios…….. 13. 2.3 Descripción del alcance y las limitaciones del estudio……………………... 13. Capitulo III. Marco teórico…………………………………………………….......... 15. 3.1 Preguntas de investigación…………………………………………………….. 15. 3.2 Interacción río – acuífero……………………………………………………….. 15. 3.2.1 Corrientes que ganan agua del acuífero………………………………….... 18. 3.2.2 Corrientes que pierden agua hacia el acuífero……………………………. 19. V.

(8) 3.2.3 Corrientes que en tramos ganan agua y en tramos pierden agua………. 20. 3.3 Modelación, fundamentos y tipos de modelos……………………………….. 22. 3.3.1 ¿Qué es un modelo?................................................................................ 22. 3.3.2 ¿Para que sirven los modelos?................................................................ 23. 3.3.3 Ventajas y desventajas de los modelos de simulación………………….... 24. 3.3.4 Procedimiento de modelación……………………………………………….. 25. 3.4 Códigos de modelación de la interacción río – acuífero………………….... 29. 3.4.1 Modelos matemáticos basados en diferencias finitas…………………….. 30. 3.4.2 Modelos matemáticos basados en elementos finitos……………………... 33. 3.4.3 Ejemplos de paquetes de modelos…………………………………............ 35. 3.5 Estrategia para la calibración del modelo…………………………………….. 37. 3.5.1 Calibración tradicional………………………………………………………... 37. 3.5.2 Calibración con trazadores…………………………………………………... 38. 3.5.3 Fechamiento con clorofluorocarbonos……………………………………... 39. Capitulo IV. Aplicación del modelo en un caso practico: río Conchos – acuífero Meoqui – Delicias…………………………………………………………. 46. 4.1 Aspectos generales del área de interés……………………………………... 46. 4.2 Estudios realizados en el área……………………………………………….... 51. 4.2.1 Estudio De Factibilidad Técnica, Económica Y Financiera Para La Rehabilitación, Integración Y Ampliación Del Distrito De Riego 05 De Ciudad Delicias, Chihuahua…………………………………………………………………. 51. 4.2.2 Avances Del Estudio Geohidrológico De Semidetalle Para La Central Termoeléctrica De Meoqui, Residencia Camargo, Chihuahua…………………. 52. 4.2.3 Estudios De Políticas De Operación Del Acuífero De Delicias, Chihuahua, México………………………………………………………………….. 52. 4.2.4 Estudio Hidrogeológico, Hidrogeoquímico Y De La Incidencia De Arsénico, Flúor Y Hierro En Las Zonas Acuíferas De Delicias – Meoqui Y Jiménez – Camargo, En El Estado De Chihuahua, México…………………….. 53. 4.2.5 Uso Agrícola Del Agua En La Cuenca Del Río Conchos……………….... 55. 4.2.6 Programa De Modernización Y Tecnificación Del Distrito De Riego 005 Delicias, Chihuahua, México……………………………………………………….. VI. 56.

(9) 4.2.7 Modelo Dinámico Para El Análisis De Escenarios Prospectivos En La Cuenca Del Río Conchos…………………………………………………….......... 57. 4.2.8 Estimación Del Caudal Ecológico Del Río Conchos, Tramo Presa Boquilla – Presa Luís L. León, En El Estado De Chihuahua………………….... 58. 4.2.9 Estudio De La Interacción Del Río Conchos Con El Acuífero Meoqui – Delicias Para Fines De Protección De Los Ecosistemas Acuáticos………….... 60. 4.3 Verificación de campo y delimitación…………………………………………. 60. 4.4 Censo, piezometría, hidrometría………………………………………………. 64. 4.5 Muestreo y análisis de agua…………………………………………………... 64. 4.6 Procedimiento de modelación…………………………………………………. 67. 4.6.1 Definición del objetivo………………………………………………………... 67. 4.6.2 Modelo conceptual……………………………………………………………. 67. 4.6.3 Selección del paquete computacional a utilizar…………………………... 79. 4.6.4 Diseño del modelo……………………………………………………………. 82. 4.6.5 Calibración…………………………………………………………………….. 105. 4.6.6 Análisis de sensibilidad………………………………………………………. 109. 4.6.7 Predicción……………………………………………………………………... 118. 4.6.8 Presentación del diseño modelado y resultados………………………….. 127. Capitulo v. Conclusiones y recomendaciones……………………………………. 132. 5.1 Conclusiones…………………………………………………………………….. 132. 5.1.1 Conceptualizar La Interacción Río – Acuífero……………………...……... 132. 5.1.2 Realizar Un Balance Hídrico Del Área De Estudio………………...……... 133. 5.1.3 Desarrollar Un Modelo Matemático De La Interacción Río – Acuífero….. 135. 5.1.4. Simular escenarios para presentar tendencias futuras………………….. 136. 5.2 Recomendaciones………………………………………………………………. 138. 5.3 Estudios futuros…………………………………………………………………. 140. Bibliografía……………………………………………………………………………. 142. Anexo 1……………………………………………………………………………….. 147. Anexo 2……………………………………………………………………………….. 148. Anexo 3……………………………………………………………………………….. 149. Anexo 4………………………………………………………………………………. 153. VII.

(10) Anexo 5……………………………………………………………………………….. 154. Anexo 6……………………………………………………………………………….. 156. Anexo 7……………………………………………………………………………….. 158. VIII.

(11) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3-1. Tabla de los ODP, GWP de los CFC’s mas comunes…………….... 40. Tabla 3-2. Tabla de las Solubilidades de los CFC’s mas comunes……………. 44. Tabla 4-1. Concentraciones de los CFC observadas……………………………. 146. Tabla 4-2. Concentraciones de TDS observados en las muestras…………….. 147. Tabla 4-3. Tiempos de residencia con los valores mínimos de CFC’s…...…... 148. Tabla 4-4. Tiempos de residencia con los valores centrales de CFC’s……….. 149. Tabla 4-5. Tiempos de residencia con los valores máximos de CFC’s……….. 150. Tabla 4-6. Edades calculadas por muestra (todos los CFC’s)………………... 151. Tabla 4-7. Edades calculadas por muestra………………………………………. 66. Tabla 4-8. Calculo de los flujos laterales de entrada……………………………. 77. Tabla. 4-9.. Tabla. comparativa. de. los. paquetes. computacionales. mencionados y su calificación……………………………………………………... 80. Tabla 4-10. Tabla de conductividad hidráulica…………………………………... 152. Tabla 4-11. Valores iniciales de la conductividad hidráulica en el modelo…... 86. Tabla 4-12. Valores de recarga para el modelo………………………………….. 89. Tabla 4-13. Pozos de extracción incluidos en el modelo……………………….. 153. Tabla 4-14. Pozos con concentraciones de CFC, que se incluyen en el modelo………………………………………………………………………………... 94. Tabla 4-15. Coeficiente de Rugosidad de Manning……………………………... 155. Tabla 4-16. Evaporación en la estación climatológica Delicias………………... 102. Tabla 4-17. Condiciones y parámetros a modificar en un análisis de sensibilidad……………………………………………………………..................... 109. Tabla 4-18. Comparación de los balances de los escenarios………………….. 130. IX.

(12) Índice de figuras Figura 1-1. Esquema de un acuífero en forma general…………....................... 3. Figura 3-1. Sistemas de flujo en un acuífero……………………………………... 17. Figura 3-2. Representación de la interacción río – acuífero donde el acuífero cede agua al rió……………………………………………………………………... 18. Figura 3-3. Representación de la interacción río – acuífero, en donde el río cede agua al acuífero por diferencia de presión…………………………………. 19. Figura 3-4. Representación de la interacción río – acuífero, el río cede agua al acuífero por diferencia de nivel…………………………………………………. 20. Figura 3-5. Representación de la interacción río – acuífero, el río cede agua al acuífero, pero hay bancos de recarga en las orillas del río…………………. 20. Figura 3-6. Representación de los acuífero cuando ganan y pierden agua en tramos distintos………………………………………………………………………. 21. Figura 3-7. Pasos en el procedimiento de modelación………………………….. 29. Figura 3-8. En un bloque de una malla, un nodo es el centro del cubo, y las descargas de los nodos vecinos para la aproximación por diferencias finitas.. 30. Figura 3-9. Concentraciones de los CFC observadas desde 1940 a 2006….... 42. Figura 4-1. Ubicación de las sierras y las poblaciones en el área de estudio.... 47. Figura 4-2. Área de modelación matemática con MODFLOW…………………. 50. Figura 4-3. Delimitacion del Área de Estudio…………………………………….. 63. Figura 4-4. Se muestra la forma en que se realizaron los muestreos para CFC’s………………………………………………………………………………….. 64. Figura 4-5. Fotografía del muestreo realizado en campo……………………….. 64. Figura 4-6 Delimitacion del área de modelación…………………………………. 69. Figura 4-7. Interpretación de la Ley de Darcy para las celdas de flujo………... 76. Figura 4-8. Malla del modelo en MODFLOW…………………………………….. 83. Figura 4-9. Vista transversal del modelo en MODFLOW……………………….. 84. Figura 4-10. Distribución de la Conductividad Hidráulica en la malla del modelo……………………………………………………………………………....... 87. Figura 4-11. Distribución de la recarga por uso de suelo……………………….. 90. X.

(13) Figura 4-12. Condiciones de Frontera para el Modelo (Mapa)………….…….. 91. Figura 4-13. Condiciones de Frontera para el Modelo………………………….. 93. Figura 4-14. Nomograma para resolver la formula de Manning………………... 156. Figura 4-15. Primer segmento del río para el modelo…………………………... 96. Figura 4-16. Segundo segmento del río para el modelo………………………... 97. Figura 4-17. Tercer segmento del río para el modelo…………………………... 98. Figura 4-18. Fotografía del cauce del río Conchos en la zona de modelación.. 99. Figura 4-19. Zonas para el balance de agua del modelo……………………….. 101. Figura 4-20. Distribución de la evapotranspiracion en el modelo…………….... 104. Figura 4-21. Rectas y estadísticos de ajuste de la calibración del modelo….... 108. Figura 4-22. Mapas de salidas de MODFLOW, variando conductancia…….... 112. Figura 4-23. Representación de las salidas de MODFLOW al modificar los valores de conductividad hidráulica………………………………………………. 115. Figura 4-24. Representación de las salidas de MODFLOW al modificar los valores de la recarga………………………………………………………………... 117. Figura 4-25. Salida del MODFLOW para el escenario 1………………………... 119. Figura 4-26. Salida del MODFLOW para el escenario 2………………………... 121. Figura 4-27. Salida del MODFLOW para el escenario 3………………………... 122. Figura 4-28. Salida del MODFLOW para el escenario 4………………………... 124. Figura 4-29. Salida del MODFLOW para el escenario 5………………………... 125. Figura 4-30. Salida del MODFLOW para el escenario 6………………………... 127. Figura 4-31. Vista superior del modelo en MODFLOW…………………………. 128. Figura 4-32. Vista lateral desde el eje Y del modelo en MODFLOW………….. 129. Figura 4-33. Vista lateral desde el eje X del modelo en MODFLOW………….. 129. Figura 5-1. Diagrama del balance hídrico con las condiciones de inicio en el modelo………………………………………………………………………………... 134. Figura 5-2. Diagrama del balance hídrico con las condiciones calibradas del modelo………………………………………………………………………………... XI. 135.

(14) CAPITULO I. FUNDAMENTOS. 1.1 ANTECEDENTES GENERALES. En nuestros días, en los que la población mundial aumenta cada día, aumentando con ello las necesidades básicas, se han generado déficit de los recursos naturales para satisfacer estas necesidades, una de las más importantes es la necesidad que tenemos todos los seres vivos de agua, la demanda creciente de agua potable que esto representa al crecer los centros urbanos, hace que sea necesario encontrar fuentes de abastecimientos de agua con una mayor disponibilidad de este recurso, pero también exige que estas fuentes de agua tengan las características necesarias de calidad, de disponibilidad y de accesibilidad que permitan llevar el agua a las poblaciones. El agua como recurso se encuentra en diversos lugares y estamos acostumbrados a ver, a tener contacto con ella y a aprovecharla con el simple hecho de abrir una llave, en la naturaleza, el agua la podemos encontrar en ríos, lagunas, lagos, acuíferos, en el mar o en los glaciares, aunque el porcentaje del agua de que podemos disponer para el total de la población mundial, es apenas cercana al 3%, ya que la cantidad restante no tiene la disponibilidad o bien el tratamiento necesario para que sea apta para consumo humano hace que sea difícil de aprovechar. El agua tiene un ciclo que permite que los cuerpos o las entidades de agua como las conocemos, estén interactuando continuamente, aun cuando se ha tendido a estudiar los cuerpos de agua superficial y los de agua subterránea como entidades totalmente distintas y sin relación alguna. En la naturaleza, existen reservorios naturales, como los acuíferos (figura 1-1) que son formaciones geológicas por la que circula o se almacena agua. 1.

(15) subterránea que puede ser extraída para su explotación, uso o aprovechamiento (CNA,1992). En la figura 1-1 se puede observar una zona de saturación – el acuífero en si –, el cual se ve abastecido o recargado por la precipitación (en flechas azules), la cual se infiltra al suelo, pasa a la zona no saturada y atraviesa la zona de capilaridad para llegar al cuerpo del acuífero. Las flechas negras en esta figura representan la evaporación de la humedad de las capas superiores. Los acuíferos son sistemas que se encuentran en equilibrio, las descargas y las recargas que se presentan se pueden considerar fijas en el mismo nivel, cumpliendo con las fluctuaciones cíclicas provocadas por las estaciones; estos sistemas encierran hasta el 30.1% del agua dulce de la tierra, lo cual se estima en 12.51 Mkm3 (USGS, 2005). Pero la presencia del hombre y sobretodo las actividades que realiza se ven reflejadas en la ruptura de ese equilibrio tan delicado. En muchas ocasiones, los acuíferos ven disminuida la cantidad del agua que contienen al ser esta extraída para consumo humano, para riego de los cultivos o bien para tomar parte en los procesos industriales. Según el informe Mundial sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos, 2003, anualmente se tienen aprovechamientos del orden de entre 600 y 700 km3 de agua, de esta cantidad, se cubre el 50% aproximadamente del consumo del agua potable, el 40% de la demanda industrial y el 20 % de las necesidades de la agricultura de riego. (UNESCO, 2003). Desde unos años atrás, se a incrementado el énfasis en la problemática de la conservación del agua a nivel mundial, en 2003, el director general de la UNESCO, Koichiro Matsuura comentó que la crisis del recurso hídrico es la que mas afecta tanto a la supervivencia de los seres humanos como a la del planeta, ya que la demanda aumenta constantemente mientras que los abastecimientos. 2.

(16) de agua disminuyen ya sea por explotación o por contaminación (UNESCO, 2003).. Precipitación. Zona del suelo Zona no saturada. Nivel de capilaridad. Zona de saturación. Figura 1-1. Esquema de un acuífero en forma general. Tomado de El Ciclo del Agua, USGS (http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html). Casi todos los cuerpos de agua superficial, llámense lagos, ríos, lagunas, corrientes, humedales, reservorios y estuarios tienen una estrecha relación con los cuerpos de agua subterránea como los acuíferos. Estas interacciones pueden ser del tipo en que un cuerpo gane agua y solutos del otro, o bien que los pierda, o bien que en parte del recorrido gane y en parte pierda agua del otro cuerpo (Winter et al, 1998). Se están realizando estudios como el de Central Platte Natural Resources District en Nebraska, EU. En donde se ha considerado necesario la modelación de la interacción agua superficial –agua subterránea, tomando datos de más de 50 años en el Río Platte para estimar si la cuenca tiene la capacidad de seguir bombeando agua en el futuro (Woodward, 2005).. 3.

(17) En México se tienen zonas que se han destinado para la agricultura, que son conocidos como Distritos de Riego, que se integran con las áreas comprendidas dentro de su perímetro, las obras de infraestructura hidráulica, las aguas superficiales y del subsuelo destinadas a prestar el servicio de suministro de agua, los vasos de almacenamiento y las instalaciones necesarias para su operación y funcionamiento (Ley Nacional de Aguas, 1992), en los que los programas de producción se apoyan básicamente en el servicio de riego que se proporciona a las áreas de cultivo mediante una serie de obras de infraestructura que permiten hacer llegar el agua más fácilmente a estos cultivos. Ahora bien, por lo general estos distritos de riego se asientan en nuestro país en los sitios en donde se cuenta con un acuífero cercano, ya sea somero o profundo y con algún cuerpo de agua superficial cercano, con la finalidad de extraer y aprovechar el agua que se encuentra reservada en el acuífero, se instalan pozos de extracción y se comienza a bombear agua para completar los ciclos de riego en esas áreas de cultivo, y es en este punto en donde las interacciones de las aguas superficiales y las aguas subterráneas se ve modificada, dependiendo de la cantidad del las extracciones realizadas. Es en estas situaciones en que se hace necesario contar con alguna herramienta que permita simular y predecir la respuesta de los acuíferos a las condiciones actuales, respuestas tales como el flujo del agua subterránea, el abatimiento de esos flujos y el transporte de los contaminantes en el agua. Entre las herramientas que se han desarrollado, se encuentra la modelación, sobretodo matemática, de los acuíferos ya que estos permiten simular los procesos que se efectúan en el acuífero y presentar diversos escenarios para el acuífero que nos permitan poder planear acciones tanto preventivas como correctivas para el adecuado manejo de los acuíferos.. 4.

(18) 1.2 ANTECEDENTES EN EL CONTEXTO ACTUAL. En el área de estudio, en el estado de Chihuahua, se tiene el distrito de riego 005, que se encuentra ubicado en los municipios de Meoqui y Delicias, en la misma zona en la que se encuentra el acuífero con el mismo nombre y una sección del caudal del río Conchos. Uno de los cultivos principales es la nuez, y la tecnología anterior implicaba que los campos de cultivo se inundaran cada vez que se regara. Hoy en día, con el Proyecto de Modernización y Tecnificación de los Distritos de Riego del Río Conchos (COCEF, 2002) se está llevando a cabo un cambio de tecnología en donde tanto los nogaleros (los dueños de las parcelas de nogales) están migrando al riego por aspersión o al microgoteo, con lo que pretenden ahorrar más recursos tanto naturales como es el agua, como económicos; como las autoridades que buscan mejorar la infraestructura de distribución, el drenaje y la comunicación dentro del distrito de riego ya que están tratando de eficientar los recursos con los que cuentan. Así mismo, con las modificaciones que se realizan dentro del proyecto de Modernización, se contempla un ahorro de 40% lo que se reflejaría en las condiciones generales del acuífero. Al generarse estos cambios de tecnología, es muy probable que existan cambios en las condiciones del acuífero, ya que si bien la cantidad de las extracciones va a disminuir, el riego por aspersión o el microgoteo disminuirán también las infiltraciones al acuífero que se venían dando, por lo que es necesario plantear los cambios en las interacciones del río Conchos con el acuífero al implementarse y generalizarse estos cambios. Si consideramos el sistema río Conchos – acuífero Meoqui – Delicias, podríamos inferir que se pueden dar interacciones que pueden ser de tres formas distintas: a) la corriente superficial gana agua entrante del acuífero a través de su lecho, b) que la corriente pierda agua y se la done al acuífero por su lecho, o ambas, esto es, que en algunos tramos gane agua el río y en otros tramos la pierda.. 5.

(19) Es en este punto en el que buscamos la ayuda de modelos matemáticos, que nos representen una aproximación a una situación real que no podemos conocer directamente. Los modelos son muy convenientes ya que nos permiten presentar el comportamiento de un fenómeno en distintos escenarios, interpretar el fenómeno al estudiar los sistemas dinámicos, podemos analizar el flujo hipotético de un cuerpo de agua que nos ayuden a generar líneas de acción para una región específica En años recientes la modelación de los sistemas de agua subterráneos se han vuelto una parte muy común para la explotación, protección y remediación de los cuerpos de agua subterráneos, aunque esta modelación no está exenta de limitaciones tales como que está basada en suposiciones acerca del sistema natural que está siendo modelado, los valores con los que se trabaja no siempre son muy precisos y que las relaciones entre los factores se ven sustituidas por ecuaciones que no siempre consideran todos los factores. Una limitación más que se ha encontrado que se tiene en este tipo de modelación es la tendencia a tratar a los acuíferos como entidades totalmente separadas de los cuerpos de agua superficial, dejando del lado el complejo esquema de interacciones que se presentan entre estos dos cuerpos de agua. (USGS, 2005; Winter, 1998). 1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: ¿Cómo interactúa el río Conchos con el acuífero Meoqui – Delicias, en Chihuahua, México? La presente investigación tiene como finalidad presentar un modelo conceptual, para partir de ahí a un modelo matemático que pueda representar las interacciones presentes en el sistema río – acuífero, de manera que se permita presentar diversos escenarios que provean las pautas para el manejo de estas. 6.

(20) fuentes de abastecimiento, así como para la protección de los ecosistemas acuáticos. Si bien se busca que la investigación tenga un enfoque principal hacia la optimización de los recursos hídricos, tanto del río como del acuífero, el modelo esta basado en los flujos de agua subterráneos principalmente, tanto la infiltración como la extracción del agua del acuífero Meoqui – Delicias.. 1.4 OBJETIVOS 1.4.1 OBJETIVO GENERAL: Analizar y modelar la interacción de las aguas superficiales (del río Conchos) y las aguas subterráneas (acuífero Meoqui – Delicias) para presentar escenarios para proponer acciones para un manejo adecuado del acuífero.. 1.4.2 OBJETIVOS PARTICULARES: 1.4.2.1. Conceptualizar la interacción río – acuífero.. 1.4.2.2. Realizar un Balance Hídrico del área de estudio.. 1.4.2.3. Desarrollar un modelo matemático de la interacción río – acuífero.. 1.4.2.4. Definir los patrones de flujo del agua subterránea sobre la dinámica superficial. del. agua,. utilizando. los. modelos. matemáticos. de. simulación. 1.4.2.5. Simular escenarios para presentar tendencias futuras en función de acciones que pretenden un manejo más adecuado del acuífero y del río.. 7.

(21) 1.5 JUSTIFICACIÓN ¿Cómo administrar por un lado las reservas hídricas de un acuífero para su uso y por otro lado conservar los ecosistemas acuáticos superficiales, cuando no podemos ver en detalle? La toma de conciencia y el buscar aprovechar de manera adecuada los recursos con los que contamos, ha hecho que el hombre se preocupe mas acerca de la manera en la que aprovecha los recursos naturales que encuentra y un punto importante ha sido el cuidado del agua. Se ha estudiado la necesidad de considerar tanto el agua superficial como el agua. subterránea. al. momento. de. hacer. cualquier. planeación. de. aprovechamiento, ya que la interacción presente entre los dos cuerpos de agua hace que sea mas completa la visión del fenómeno que se esta observando. Smith y Rogers en 1970, publicaron un trabajo en que se determina el balance hídrico para un área de cultivo, enfatizando las interacciones entre los dos cuerpos de agua para determinar el contexto económico de la administración del riego. En el caso de la presente investigación en que se busca reforzar el conocimiento generado mediante la aplicación a un caso práctico, hemos seleccionado a la cuenca media del río Conchos como área de interés, debido a que en esa zona se cuenta tanto con la presencia de un río, el río Conchos, que nace en la sierra Tarahumara y desemboca al río Bravo en Ojinaga, como con la presencia de un acuífero, el acuífero Meoqui – Delicias, en el que se asienta uno de los distritos de riego mas grandes de la zona norte de México. Considerando que en muchas ocasiones el agua irrigada no se cuantifica, es muy difícil saber claramente el monto de agua usada durante la temporada de riego (Fernald, 2006). La importancia que presenta este sistema es que al ser el río Conchos uno de los mayores tributarios del río Bravo, la situación geográfica de este, y la presencia de una zona desértica en el estado de Chihuahua, es de. 8.

(22) gran relevancia y prioridad proveer de un modelo que permita preservar y en un momento dado restaurar las interacciones entre los dos cuerpos de agua. En la zona de estudio, el distrito de riego 005 corresponde a un 81% del área física total de la cuenca media del río Conchos, con una superficie de 88,525.60 has., esto implica un consumo del 83% del agua total utilizada, lo que hace referencia a un gran impacto en el volumen del agua que se puede ahorrar en la zona (COCEF, 2002). Las personas y los centros urbanos, 11,875 usuarios entre usuarios sociales y privados (COCEF, 2002),. que cuentan con este sistema río – acuífero son. quienes se verán más beneficiados cuando se realizan este tipo de investigaciones, ya que se les da la oportunidad de poder aprovechar de una mejor manera los recursos con los que cuenta. Esta investigación es relevante para la comunidad de las poblaciones que se encuentran en esa zona, unas 207,000 personas (INEGI, 2003) entre los usuarios del sistema de riego y los habitantes de las comunidades que se encuentran dentro del área de, así como para el distrito de riego que se encuentra ubicado en el área del acuífero ya que es uno de los principales productores agrícolas y ganaderos del norte del país, por lo que la mayoría de las actividades humanas están relacionadas directa e indirectamente con el acuífero. El estudio también presenta importancia para el desarrollo de una estrategia de restauración y/o conservación de la versatilidad de los ecosistemas acuáticos en el río Conchos que se ha visto empeorando durante las últimas décadas por la mala calidad de agua. Los parámetros utilizados en el modelo matemático que se pretende sea el producto de esta investigación, servirán para ser aplicados en otras zonas de nuestro país en donde existan ríos y acuíferos interactuando, y igualmente podrá generar información sobre la manera de asegurar la existencia y calidad de. 9.

(23) ambos cuerpos de agua, acerca de las interacciones del agua que llevarían a complementar el conocimiento de la zona de interés, asimismo ayudará para entender mejor como las afectaciones en el río repercuten en el acuífero y viceversa,. por último se pretende generar diferentes escenarios para las. condiciones de estos dos cuerpos de agua. Se han realizado algunos estudios que están relacionados con el área de estudio, que aun cuando no sean propiamente de modelación, han servido para obtener información relevante de la zona de estudio, en algunos se han determinado las características del suelo, de los niveles freáticos, así como de las características de la geología del lugar, el origen de los contaminantes que se han observado en el área, el uso del agua del acuífero, el tipo de acuífero, así como los programas de modernización que se esperan para esta área. Estos estudios se comentarán más ampliamente en el capítulo IV.. 10.

(24) Capitulo II. Metodología de Investigación.. CAPITULO II. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN 2.1 DESCRIPCIÓN DEL TIPO DE ESTUDIO. La presente investigación se está planeando como un estudio de tipo descriptivo en su primer etapa ya que se pretende establecer la forma en que se da el transporte del agua subterránea, ya sea que esta ésta se infiltre desde el río hacia el acuífero, o bien que la zona saturada (acuífero) haga una aportación a la corriente del río, también se espera determinar como se realiza la infiltración, si el cambio de sistema de riego o del caudal de agua en el río afectará a la recarga del acuífero.. 2.2 DESCRIPCIÓN DE LOS PASOS PARA EL DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN. 2.2.1 Recopilación y análisis de la información existente Se han realizado estudios en el área de estudio, pero en su gran mayoría solo han abarcado algún aspecto de la zona, sin generar ninguna relación entre lo que ya existe y lo que se plantea. Se pretende hacer un análisis detallado de estos estudios para poder con el conocimiento generado de los trabajos anteriores, sentar las bases para la investigación presente, de manera que estos conocimientos se vayan integrando, para obtener un resultado mas completo. 2.2.2 Verificación de campo y delimitación de áreas a detalle Se cuenta con información, pero es necesario revisar si actualmente el censo de pozos es el mismo o si estos han cambiado tanto su uso como la cantidad de extracción, también existe la posibilidad de que estos pozos hayan aumentado de cantidad; se considera necesario delimitar las áreas a detalle ya que el hecho. 11.

(25) Capitulo II. Metodología de Investigación.. de no poder ver físicamente a simple vista el área del sistema, nos obliga a establecer claramente los límites de la zona de estudio para realizar nuestro análisis. 2.2.3 Censo, piezometría, hidrometría En este punto, lo que se busca es tomar los datos de los pozos existentes para tener datos reales y actuales que nos permitan conocer el estado actual del sistema para hacer las calibraciones para el modelo. 2.2.4 Muestreo y análisis del agua Uno de los puntos que se desea incluir en el modelo, es la calibración con algunos de los parámetros importantes en el agua, como los trazadores gaseosos que ayudarán a establecer el tiempo de residencia del agua en el acuífero. 2.2.5 Procedimiento de modelación. Para generar un modelo matemático es necesario seguir un procedimiento que permita considerar todos los parámetros que cree van a influir en el comportamiento del acuífero, esto servirá también para darnos una idea de los datos y condiciones que debemos establecer para el modelo propuesto. Una vez que se tenga establecido los parámetros y las condiciones que afectan al modelo, se traducen estas condiciones a ecuaciones matemáticas que se puedan representar el comportamiento del modelo con el que se va a trabajar. Estas ecuaciones servirán de espina dorsal para el modelo que se generará como producto de la investigación. La última parte del procedimiento de modelación es la calibración con datos hidráulicos y de trazadores que servirán para comprobar que el modelo se ajuste a los datos reales, así como proporcionar datos del estado anterior del acuífero.. 12.

(26) Capitulo II. Metodología de Investigación.. 2.2.6 Simulación de la interacción río – acuífero en distintos escenarios. Por último, con el modelo ya calibrado, se simularan distintos escenarios futuros para establecer las condiciones en las que se pudiera encontrar el sistema y con base en estas simulación poder tomar medidas preventivas para asegurar un adecuado manejo de esta fuente de abastecimiento de agua.. 2.3 DESCRIPCIÓN DEL ALCANCE Y LAS LIMITACIONES DEL ESTUDIO. La presente investigación busca un alcance descriptivo ya que busca especificar las propiedades, características y rasgos importantes de la interacción río – acuífero. Esto para poder presentar al lector una serie de escenarios posibles para esta interacción. A través de la investigación pretendemos describir como los cambios en el acuífero o en el río, pueden afectar al estado futuro del mismo. En esta primera fase, la investigación no pretende analizar las causas de las afectaciones, sino como se presentan estas interacciones. Las limitaciones con que nos encontramos para la realización de la presente investigación, es que si bien contamos con estudios anteriores realizados en el área de interés, no contamos con datos completos, exactos, de la geografía del sistema, mas bien tenemos un conocimiento parcial, ya que con la información que se tiene no es posible conocer a la exactitud la profundidad del acuífero. No existen suficientes datos históricos debido a la falta de mediciones hidrométricas y a la inexistencia de censos de pozos actuales, activos y ya fuera de funcionamiento, aun dentro de los estudios que se tienen los datos no tienen un seguimiento histórico, mas bien, la información se encuentra en partes y no es de fácil acceso; este hecho va a repercutir en la limitación al momento de modelar, ya que solamente se podrá modelar la situación actual de la interacción. 13.

(27) Capitulo II. Metodología de Investigación.. río – acuífero (modelo de estado estable), sin poder establecer la situación en el pasado.. 14.

(28) Capitulo III. Marco Teórico.. CAPITULO III. MARCO TEÓRICO 3.1 PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN: 3.1.1 ¿Cuál es la interrelación que existe entre el río y el acuífero? 3.1.2 ¿Qué tipo de modelos nos pueden ayudar para resolver nuestro problema? 3.1.3 ¿Qué factores son necesarios de considerar al elaborar un modelo conceptual de esta interacción? 3.1.4 ¿Cuál sería la mejor estrategia para calibrar el modelo?. 3.2 INTERACCIÓN RÍO – ACUÍFERO El agua dulce es vital para todos los seres vivos en el planeta; durante mucho tiempo el ser humano ha aprovechado las corrientes, los ríos, las lagunas, los humedales extrayendo grandes cantidades de agua para satisfacer las necesidades domésticas, agrícolas e industriales, sin darle la importancia debida al equilibrio que debería guardar estos sistemas y la necesidad de conservarlos, ya que estos sistemas representan un “drenaje” del paisaje. (Baron, et al, 2003; Winter, et al, 1998) Estos sistemas no son independientes unos de otros, existen relaciones muy íntimas entre la cuenda en la que están situados y los cuerpos hídricos, lo que ocasiona que las relaciones sean muy sensibles a las actividades humanas. Estas actividades implican un uso intensivo del agua por el ser humano, lo que deteriora la calidad del agua afectando los procesos y los ecosistemas presentes en la cuenca. El agua subterránea se mueve siguiendo patrones de flujo de áreas de recarga hacia áreas de descarga, estos patrones de flujo pueden ser de diferentes. 15.

(29) Capitulo III. Marco Teórico.. tamaños y profundidades, incluso estar unos sobre otros, con los tiempos de residencia muy variados también, se ha estimado que no exceden los 10 m/d y que pueden ser tan bajas como 1 m/a (Foster, 1989). La fuente principal del nivel freático, es decir la parte superior de la zona saturada (acuífero), o bien la recarga subterránea es la infiltración de la precipitación a través de la zona no saturada (figura 1-1), esta infiltración depende de las características de las rocas, ya que propiedades como la porosidad, la permeabilidad, las fracturas que tengan estas rocas. Los sistemas de flujo subterráneos locales, o los más cercanos a la superficie, son recargados a niveles freáticos altos y descargan en tierras bajas adyacentes o a cuerpos de agua superficiales (figura 3-1), estos sistemas son muy dinámicos, someros y por lo tanto estos tienen un gran intercambio con el agua superficial. Los sistemas de flujo local pueden estar por encima de sistemas de flujo intermedios y regionales. El agua que se encuentra en sistemas profundos (ya sea intermedios o regionales) tiene patrones de flujo más largos, pero eventualmente descargan a cuerpos de agua superficial (Winter et al., 1998).. 16.

(30) Capitulo III. Marco Teórico.. Figura 3-1. Sistemas de Flujo en un acuífero.. Los cuerpos de agua superficial reciben descargas de más de un sistema de flujo a través de diferentes partes del lecho. Los sistemas de flujo locales descargan en la parte mas cercana a la orilla, y los sistemas de flujo intermedios o regionales descargan a los cuerpos de agua superficial por el lecho de estos, además de hacia la orilla de los mismos. Las características mencionadas anteriormente de los sistemas de flujo de aguas subterráneas con respecto del agua superficial se aplican en general en un sentido regional en todos los paisajes (Winter, 1998; Foster, 1989). Sin embargo, la distribución detallada de las infiltraciones de y hacia los cuerpos de agua superficial, esta controlada por: a) La pendiente de la piezometría con respecto de la pendiente de la superficie del agua superficial, esto por que de la relación entre estas dos pendientes dependerá el tipo de interacción que se presente entre el acuífero y el cuerpo de agua superficial,. 17.

(31) Capitulo III. Marco Teórico.. b) Las características geológicas a pequeña escala en los lechos del agua superficial, debido a que estas características controlan la localización de los afloramientos de formaciones permeables y las capas confinantes, de las zonas de recarga y descarga, y c) El clima, puesto que es el que determina la cantidad de las lluvias, de la evaporación y de la transpiración que se efectuará en el área donde se encuentre el acuífero. Las corrientes interactúan con los acuíferos en todos los tipos de paisajes, la interacción se realiza de tres manera diferentes básicamente: 3.2.1 Corrientes que ganan agua del acuífero. Existen ríos que ganan agua del acuífero a través del lecho del río (figura 3-2), para que esto suceda es necesario que el nivel freático sea más alto en las proximidades del río que la altitud en la superficie del río (Winter et al., 1998).. DIRECCION DEL FLUJO. NIVEL PIEZOMETRICO. ACUIFERO Figura 3-2 Representación de la interacción río – acuífero donde el acuífero cede agua al río.. 18.

(32) Capitulo III. Marco Teórico.. 3.2.2 Corrientes que pierden agua hacia el acuífero. Los ríos que pierden agua pueden estar conectados a sistemas subterráneos por una zona saturada continua, o bien pueden estar desconectados del sistema subterráneo por una zona no saturada (figura 3-3). Una característica importante en estas últimas es que el bombeo del agua subterránea somera, cerca de la corriente no afecte el flujo de la corriente cerca de los pozos de bombeo (Winter et al, 1998).. D IRECCIO N D EL FLU JO. N IVEL PIEZO M ETRICO. ACU IFERO Figura 3-3. Representación de la interacción río – acuífero, en donde el río cede agua al acuífero por diferencia de presión. 19.

(33) Capitulo III. Marco Teórico.. DIRECCION DEL FLUJO. NIVEL PIEZOMETRICO. ACUIFERO. Figura 3-4. Representación de la interacción río – acuífero, el rió cede agua al acuífero por diferencia de nivel.. DIRECCION DEL FLUJO. BANCO DE ALMACENAMIENTO. NIVEL PIEZOMETRICO. ACUIFERO Figura 3-5. Representación de la interacción río – acuífero, el río cede agua al acuífero, pero hay bancos de recarga en las orillas del río.. 20.

(34) Capitulo III. Marco Teórico.. 3.2.3 Corrientes que en tramos ganan agua y en tramos pierden agua. Este tipo de interacción entre los ríos y los acuíferos se da muy comúnmente, esto es hay un rápido aumento en la etapa de corriente lo que causa que el agua se mueva hacia fuera de la corriente por los bancos laterales, a lo cual se le denomina almacenamiento en bancos, y generalmente es causada por fenómenos climatológicos como una lluvia torrencial, el deshielo rápido, o bien la apertura de las compuertas de una presa aguas arriba, mientras estas condiciones existan, el flujo del agua va del rió al acuífero, pero al regresar a las condiciones originales, donde el nivel del agua del río baja, se regresa a las condiciones en las que el acuífero cede el agua al río (Winter et al., 1998). a). b). c). Figura 3-6. Representación de los acuíferos cuando ganan y pierden agua en tramos distintos. a) En su estado original (el acuífero le cede agua al río), b) Cuando comienzan las lluvias (se mantiene el equilibrio entre los dos cuerpos de agua), y c) Al finalizar las lluvias (la presión es tanta que obliga al acuífero a saturarse de agua). 21.

(35) Capitulo III. Marco Teórico.. 3.3 MODELACIÓN, FUNDAMENTOS Y TIPOS DE MODELOS: 3.3.1 ¿Qué es un modelo? En su forma mas abstracta, un modelo consiste en la unificación de conceptos conocidos para un acuífero con la finalidad de realizar predicciones (Price, 2003). Los modelos simulan las propiedades temporales de un sistema, o bien de alguna de sus partes, ya sea de forma real o de forma abstracta. Los modelos pueden ser en forma física, análoga o digital. Los modelos que usan ecuaciones matemáticas para describir los elementos del flujo del agua subterránea son llamados modelos matemáticos. Dependiendo de la naturaleza de las ecuaciones involucradas estos modelos pueden ser: Empíricos: aquellos que son derivados de los datos experimentales y que son adecuados a una función matemática, como la Ley de Darcy. Aunque los modelos empíricos tienen un horizonte limitado y son usados en problemas específicos o soluciones in situ, pueden ser parte de un esfuerzo de modelación mayor. Probabilísticos: son aquellos modelos que se basan en estadística y leyes de probabilidad, pueden ser de varias formas y complejidades, comenzando con una simple distribución de probabilidad y una propiedad de interés y terminando con modelos complicados estocásticos, dependientes del tiempo. Las principales limitaciones para los modelos estocásticos son que requieren grandes cantidades de datos, para la identificación de un parámetro y que no se pueden usar para predecir muchas de las interrogantes mas comunes que se tienen al momento de resolver los problemas en los acuíferos.. 22.

(36) Capitulo III. Marco Teórico.. Determinísticos: suponen que las futuras reacciones del sistema están predeterminadas por leyes físicas que gobiernan el flujo del agua subterránea. La gran mayoría de los problemas relacionados con los acuíferos se solucionan utilizando este tipo de modelos. Los modelos digitales han sido utilizados cada vez mas desde 1970, el modelo digital más simple es el modelo de diferencias finitas, que comprende la discretización del acuífero en unidades de pequeñas dimensiones, por simplicidad, a menudo utiliza cuadrados. En las fronteras o limites del modelo se deben especificar cargas o señalar si se trata de fronteras de no flujo, y una vez que se establecen los valores correspondientes en las frontera, el modelo calculará las cargas en los demás cuadrados de la malla, utilizando fórmulas que hayan sido descritas en el programa. Algunos de los modelos más simples se pueden realizar en una simple hoja de cálculo. De igual manera que los modelos análogos, los digitales deben ser calibrados con información histórica antes de proceder con la etapa de predicción. La ventaja que presenta este tipo de modelo con respecto a los otros, es que las modificaciones que se hagan al momento de la calibración, solo consisten en cambiar algunos de los valores de entrada, mientras que en los analógicos, implica cambiar las conexiones entre los nodos.. 3.3.2 ¿Para qué sirven los modelos? Los modelos para los acuíferos son importantes ya que nos dan la posibilidad de conocer y determinar las condiciones del acuífero, sus flujos subterráneos y propiedades como la conductividad hidráulica (permeabilidad) del acuífero, así como también hacer predicciones acerca de las afectaciones que tendrá el acuífero al cambiar las condiciones a las que se enfrente el sistema, tales como cambios climáticos, el uso del suelo, cambios demográficos, cambio de manejo de agua etc. que puedan modificar las condiciones del acuífero. Estos modelos. 23.

(37) Capitulo III. Marco Teórico.. al reflejar las condiciones actuales en el interior del acuífero sirven para mejorar el aprovechamiento del acuífero y del ecosistema acuático que lo rodea, ya que considera, en algunos casos, la perspectiva de todos los usuarios involucrados (Herrera, 2002). 3.3.3 Ventajas y Desventajas de los modelos de simulación. 3.3.3.1. Ventajas.. Las ventajas que presenta el trabajar con modelos matemáticos son, entre muchas otras, una vez que se tiene el modelo construido: •. Modificar los patrones fácilmente con el propósito de analizar diferentes escenarios,. •. Determinar la tasa máxima de bombeo en un sector determinado,. •. Permite mejore el concomimiento de la hidrogeología de un área a evaluar,. •. Calcular las áreas de protección del acuífero.. •. Predecir los impactos en el acuífero en diferentes escenarios,. •. Analizar los daños en los sistemas de drenaje de las presas,. •. Analizar los riesgos ambientales. •. Determinar la dirección de los patrones de flujo de los contaminantes.. •. Permite entender mejor y visualizar la simulación de diferentes escenarios que con modelos matemáticos solamente.. •. En algunos casos, la simulación es la única manera de lograr la solución.. 3.3.3.2. Desventajas. Así como existen ventajas en utilizar los modelos de simulación, se tienen desventajas: 24.

(38) Capitulo III. Marco Teórico.. •. Los modelos de simulación por computadora, son caros y requieren mucho tiempo para ser desarrollados y validados.. •. Se necesitan una gran cantidad de corridas para encontrar una buena solución, lo que aumenta los costos.. •. Es difícil revisar si los modelos simulados resultan adecuados en el momento de realizarlos. Habría que esperar suficiente tiempo (años) para verificar si las simulaciones son correctas.. •. La solución de un modelo de simulación puede ser influenciada por el analista, y no tener sentido de seguridad.. 3.3.4 Procedimiento de modelación. Una vez que se ha determinado la necesidad de obtener un modelo matemático y que se ha definido el objetivo del modelo, es necesario comenzar con el diseño del modelo propiamente dicho. Cuando hablamos de procedimiento de modelación nos estamos refiriendo a todos los pasos que necesitamos para generar un modelo que represente la realidad, estos pasos incluyen la selección del código o programa a usar, el diseño del modelo, la calibración, el análisis de sensibilidad y finalmente las predicciones o los escenarios que se arrojen como resultado del modelo (Fitts, 2002) Es de mucha ayuda comenzar por generar un diagrama de flujo que incluya los pasos con los que se va a trabajar. A continuación se presenta una breve descripción de los pasos que conforman el procedimiento de modelación.. 3.3.4.1. Definición del objetivo:. El primer paso en una modelación es establecer claramente la finalidad del modelo, tener especificado el objetivo del modelo, ayudará a la selección de los. 25.

(39) Capitulo III. Marco Teórico.. métodos y de las herramientas computacionales adecuadas para la solución del problema. Estos modelos pueden tener distintos objetivos tales como resolver un problema en especial, en cuyo caso hay que definirlo, o bien, apoyar o refutar una teoría, o bien solamente generar un conocimiento más claro del fenómeno en si (Hernández, 2003).. 3.3.4.2. Modelo Conceptual:. La finalidad de la etapa del modelo conceptual, es traducir, mediante una estructura de datos, la realidad del fenómeno que se quiere estudiar, incluyendo las consideraciones técnicas que habría que introducir al momento de la realización del modelo en si. El modelo conceptual del problema sirve para identificar los límites de la zona de estudio, en este modelo, se incluyen los datos de campo que serán necesarios para asignar valores a los parámetros del acuífero que se consideren importantes para determinar la presión a que esta sometida la zona. Es recomendable no sólo realizar una investigación y revisión bibliográfica, sino que también ayuda mucho ir directamente al área de estudio para determinar en la realidad los parámetros que pudieran influir en el comportamiento del área de estudio y de esta manera eliminar las decisiones subjetivas que se pudieran tener acerca del área, en caso de no visitarla. También es conveniente mostrar los múltiples puntos de vista de los usuarios, para de esta forma encontrar los aspectos pertinentes y particulares del fenómeno a estudiar (INEI, 1996).. 3.3.4.3. Selección del Paquete Computacional a utilizar:. En este paso del procedimiento, ya una vez que se tiene definido el objetivo del modelo, se busca un paquete computacional que contenga un algoritmo matemático que pueda ayudar a resolver el problema numéricamente. Es. 26.

(40) Capitulo III. Marco Teórico.. necesario verificar que describa precisamente los procesos físicos que ocurren en el medio poroso del acuífero, también es necesario revisar que con la ecuación que se tiene en el modelo conceptual y el algoritmo matemático son capaces de representar el fenómeno lo mas cercano a la realidad.. 3.3.4.4. Diseño del modelo:. El modelo conceptual debe traducirse a una forma que permita ser modelado numéricamente, este paso incluye el diseño de la cuadricula, la selección de los incrementos del tiempo, la selección de los limites y de las condiciones iniciales y la selección de los valores preliminares y de las presiones hidrológicas.. 3.3.4.5. Calibración:. El propósito de la calibración es establecer si el modelo logra representar adecuadamente los procesos que se están llevando a cabo en el acuífero, así como comprobar que los flujos sean los adecuados, para este paso es necesario contar con datos de campo o bien hacer ajustes mediante ensayo y error, o utilizando un código para estimación de parámetros automático.. 3.3.4.6. Análisis de sensibilidad:. Se puede presentar el caso en que aun calibrado el modelo, éste no tenga la capacidad de definir tanto espacial como temporalmente las características principales en el dominio del problema, en ese caso se realiza un análisis de sensibilidad para establecer el grado de incertidumbre en el modelo calibrado y como esto afecta a los resultados.. 27.