Levantamientos piezométricos del acuífero kárstico de Otavi: análisis de datos mediante el cálculo de la eficiencia barométrica
Se describen los conceptos principales para identificar y eliminar los efectos de la presión barométrica en acuíferos confinados y no confinados. Aunque se sabe comúnmente que los cambios de presión barométrica pueden afectar las lecturas del nivel del agua, se proporcionan pocos artículos y procedimientos para administrar correctamente los datos piezométricos.
Conocer la eficiencia barométrica reduce errores en el cálculo de superficies piezométricas y reducciones en los piezómetros durante las pruebas de bombeo. Stallman (1967) sugirió además que el movimiento del aire a través de la zona no saturada y el retraso de presión concomitante podrían ayudar a describir mejor las propiedades del acuífero. Rasmussen y Crawford (1997) describieron cómo la eficiencia barométrica varía con el tiempo en algunos acuíferos y cómo calcular la función de respuesta barométrica (BRF) correspondiente. También mostraron que este último parámetro está relacionado con el grado de confinamiento del acuífero. Finalmente presentamos una aplicación del procedimiento en un acuífero kárstico no confinado ubicado en el norte de Namibia (Otavi mountainland) donde un conjunto de cuatro transductores absolutoshan registrado cambios en el nivel del agua y mareas terrestres durante un período de 10 meses a 1 hora. intervalo.
Marco general
El área bajo investigación se encuentra en la parte SE de una meseta de 6000 kilómetros cuadrados con una elevación promedio de 1300-1500 m snm y colinas que alcanzan los 2000 m (ver más abajo).
Las formaciones rocosas están formadas por gruesos lechos de piedra caliza dolomítica con estromatolitos (500 pb). Los estratos se han plegado en una serie de sinclinales y anticlinales que generalmente golpean de este a oeste. La parte sur del área de estudio está bordeada por una falla larga con varias ocurrencias minerales (cobre, vanadio, plomo, zinc). Debido a la alta fracturación, la baja cobertura vegetal y la falta de suelo, la escorrentía superficial es casi nula. Dos cuencas de agua naturales, dolinas colapsadas, de 100 a 200 m de ancho, están ubicadas más al norte y fuera del área del proyecto. La precipitación media anual es de 540 mm (1926 – 1992) con picos durante el verano, entre diciembre y marzo. Desde mediados de los 70 y hasta el año 2000 la zona sufrió una caída de las precipitaciones que, junto con la actividad minera (Kombat, Tsumeb,
A partir de 2005, esta tendencia se ha revertido debido a la menor actividad de las minas y un nuevo régimen meteorológico.
Marco hidrogeológico
Esta región es conocida por sus características kársticas y alberga algunos lagos subterráneos anchos ubicados entre 70 y 120 m bajo la superficie del suelo.
El área también está clasificada como uno de los acuíferos más importantes del país (Departamento de Asuntos del Agua, MAWRD, área EF). Para obtener información más valiosa sobre este entorno en particular y ubicar posiciones alternativas para pozos de agua, preparamos dos mapas piezométricos (2007-2010) e instalamos 4 transductores de nivel de agua en algunos puntos de agua a una distancia de 2-4 km en la granja de Harasib (figura 13).
Fig.13 Mapa piezométrico (febrero de 2007) y posición de tres registradores de nivel de agua
La superficie piezométrica de 2007 muestra un área de recarga, coincidente con los altos topográficos y alimentada por la infiltración de lluvia. Desde este punto, las direcciones del flujo subterráneo son hacia SW y SE. Durante esta etapa enfocamos nuestras investigaciones para definir:
- Tipo de acuífero
- Conexiones del acuífero entre Harasib y los lagos del Dragón
- Recargar
En 2007 se realizaron análisis químicos de aguas superficiales y profundas, mientras que se realizaron lecturas continuas de presión barométrica y nivel de agua durante un período de diez meses, entre septiembre de 2010 y junio de 2011. La recarga del acuífero comienza cuando la lluvia acumulada supera los 400-500 mm. El espesor de la parte insaturada varía de 40 a 100 m. Considerando este valor cercano a la precipitación media anual, y que el acuífero es kárstico y muy fracturado, cabe señalar que uno o dos años de escasas precipitaciones son suficientes para disminuir drásticamente el rendimiento explotable.
Eficiencia barométrica (BE) y función de respuesta barométrica (BRF)
Fig.16 Valores del período seco (septiembre – enero)
Las lecturas del nivel del agua se han analizado con el software BETCO (Sandia National Laboratories), para eliminar los efectos de los cambios de presión barométrica. Los valores medidos y corregidos se muestran en la fig. 16 y se refieren al período seco (septiembre – enero) mientras que la fig. 17 muestra los cambios de presión barométrica versus nivel de agua, usados para el cálculo de la eficiencia barométrica.
Fig.17 Diferencia en la presión barométrica y los niveles de agua durante el período seco (septiembre-diciembre de 2010)
En todos los ejemplos notamos que:
- Existe una buena correlación entre los valores medidos y corregidos, incluso si tienen una amplitud menor
- Aún existe una variación decreciente en los valores corregidos; siendo excluidos los fenómenos de efectos cutáneos este comportamiento podría atribuirse a otros efectos no barométricos (mareas de tierra, doble porosidad)
- Los valores iniciales de eficiencia barométrica son bastante similares (0,55 – 0,61)
En la Fig. 18 se representa la función de respuesta barométrica (BRF) que caracteriza la respuesta del nivel del agua a lo largo del tiempo a un cambio escalonado en la presión barométrica; esencialmente BRF es una función del tiempo desde la carga impuesta.
Fig. 18 Funciones de respuesta barométrica para los tres puntos de agua. Las curvas son similares (especialmente Dragon’s Breath y el lago Harasib), lo que sugiere un acuífero no confinado con quizás un componente de doble porosidad.
Se observa una buena concordancia para los tres puntos de agua. En el lago Dragon’s Breath, por ejemplo, hay un rápido aumento a 0.5 y una disminución a largo plazo a un valor más bajo (0.2 – 0.3 después de 20 horas), debido al lento paso del aire a través de las fracturas. El equilibrio entre la presión externa y el acuífero se alcanza en un valor de 0,1.
La forma de las tres curvas indica un acuífero no confinado con buenas conexiones hidráulicas especialmente entre Dragon’s Breath y el lago Harasib, este último a 2 km de distancia.
La correlación también ha sido probada por análisis isotópicos y químicos realizados en 2007 (profesor Franco Cucchi, Departamento de Geología, Universidad de Trieste).
En general, los datos recolectados confirman el comportamiento no confinado del acuífero, superpuesto por una capa insaturada gruesa y rígida, bien fracturada y conectada hidráulicamente. La eficiencia barométrica inicial es mayor que la final.
Mareas terrestres y lecturas de sensores
Fig. 19 Niveles de agua asl en el lago subterráneo. La ampliación anterior muestra pequeñas diferencias cíclicas debidas a las mareas terrestres.
Respecto a este último tema, los datos recopilados aún son escasos, pero creemos que es interesante ilustrar algunas reflexiones. Cuando se inspeccionan en detalle, las curvas muestran un patrón distintivo en zig-zag con picos cada 10-12 horas (fig. 19). Este comportamiento apoya el efecto de las mareas terrestres, produciendo ligeros cambios en el volumen de las fracturas y poros y por tanto en el potencial freático. El análisis de Fourier (Shumway, 1988) muestra la estructura armónica de los tres puntos de agua en la fig. 20 y los componentes de la marea en la fig. 21.
Fig.20 Estructura armónica de los tres puntos de agua
Fig.21 Magnitudes de marea para los principales componentes armónicos (valores en pies)
El área cercana al lago Harasib tiene los valores más altos para el componente M2 y esto puede considerarse como una indicación de una zona de transmisividad más alta (Merritt, 2004). Este hecho se confirma en parte por la presencia de una fractura local alargada ENE-WSW muy cerca del lago Harasib.
Observaciones finales
Las fluctuaciones de los niveles de agua en los acuíferos no se deben solo a variaciones de recarga. La presión barométrica y las mareas se encuentran entre las principales preocupaciones. Conocer la variación de la presión barométrica para un sitio en particular ayuda a validar un mapa piezométrico o una prueba de bombeo. Se reconoce que los transductores de presión modernos ventilados a la atmósfera son extremadamente útiles cuando se instalan en pozos. Los registros son diferentes según el tipo de acuífero y los gráficos pueden ser diagnósticos del grado de confinamiento de los niveles monitoreados.
Los parámetros útiles que caracterizan este comportamiento son la eficiencia barométrica (BE) y la función de respuesta barométrica (BRF). Este último caracteriza un acuífero profundo no confinado cuando los valores son inicialmente altos y se aproximan a 0 en la respuesta a largo plazo, a la inversa, el acuífero está confinado / semiconfinido cuando los valores se mantienen constantes o se aproximan a 1 en la respuesta a largo plazo. A veces es necesario eliminar los efectos barométricos para interpretar correctamente una prueba de bombeo o disfrazar un mapa piezométrico. Finalmente, un análisis particular de los datos del nivel del agua permite calcular los componentes armónicos debidos a las mareas y, por tanto, algunas características hidrogeológicas.
Este enfoque teórico se ha aplicado a los datos recopilados para un proyecto de estudio de un acuífero kárstico no confinado en el norte de Namibia. Los niveles de agua han sido monitoreados durante un período de 10 meses, con lecturas horarias y mediante cuatro transductores. Los datos confirmaron los supuestos generales obtenidos durante las investigaciones anteriores y han subrayado la importancia del uso de tales instrumentos para la evaluación de acuíferos, mostrando particularmente:
- El papel de la recarga debido a la lluvia y la alta transmisividad alrededor del área del lago Harasib
- La buena conexión hidráulica y conductividad del acuífero
- La falta de capas de confinamiento (es un acuífero no confinado profundo y rígido)
- El efecto de almacenamiento de la parte insaturada, por encima del nivel freático, que comienza a drenar cuando la lluvia supera los 400/500 mm.
- Los otros efectos de la presión, como las mareas de tierra, se pueden resaltar utilizando transductores de nivel de agua.
Agradecimientos
Namgrows son las siglas de Namibian Groundwater Systems, un proyecto creado por el autor y el colega Gérald Favre, con la participación de geólogos y espeleólogos de 4 países diferentes (Italia, Suiza, Namibia, Sudáfrica). El proyecto fue apoyado en Namibia por el ing. Sarel La Cante y su esposa Leoni Pretorius (granja Harasib).
La empresa STS – Italia nos patrocinó proporcionando los sensores de nivel de agua y su soporte técnico.
También deseo agradecer al prof. Todd Rasmussen (Universidad de Georgia, Atenas) por proporcionar sus valiosos conocimientos sobre los datos y, en particular, los relacionados con la eficiencia barométrica y las mareas terrestres.
Fuente: Dr. Alessio Fileccia / Geólogo consultor
