Uso de la geomorfometría para el análisis hidrogeomorfológico en una cuenca de investigación mediterránea

Uso de la geomorfometría para el análisis hidrogeomorfológico en una cuenca de investigación mediterránea

Abstracto

El objetivo del trabajo es aplicar un procedimiento geomorfométrico basado en objetos para definir las áreas de contribución de la escorrentía y apoyar un análisis hidrogeomorfológico en una cuenca de investigación mediterránea de 3 km 2 (sur de Italia).

Se recopilaron y registraron datos de conductividad eléctrica y descargas diarias y cada hora en base a la actividad de monitoreo de tres años. Los análisis del quimógrafo Hydro10 sobre estos datos revelaron una fuerte respuesta hidrológica estacional en la cuenca que fue diferente de los eventos de flujo de tormenta que ocurrieron en el período húmedo y en los períodos secos. Este análisis nos permitió definir las firmas hidroquimográficas relacionadas con el aumento de la magnitud de la inundación, que involucra progresivamente varios componentes de la escorrentía (flujo base, flujo subsuperficial y flujo superficial) y un área creciente que contribuye a la descarga. Los estudios de campo y las mediciones de la capa freática / descarga llevadas a cabo durante un evento de tormenta seleccionado nos permitieron identificar y mapear 15 áreas de fuentes de escorrentía específicas con unidades geomorfológicas homogéneas previamente definidas como hidro-geomorfo-tipos (puntos de manantial, filtración difusa a lo largo del canal principal, filtración a lo largo de los corredores ribereños, salida difusa de los taludes de las laderas y extracción de concentrados de los huecos coluviales). Siguiendo los procedimientos previamente propuestos y utilizados por los autores para el mapeo geomorfológico basado en objetos, se realizó una segmentación y clasificación hidrogeomorfológicamente orientada con un paquete e-Cognition (Trimble, Inc). El mejor acuerdo con el mapeo geomorfológico basado en expertos se obtuvo con el perfil ponderado y la suma de curvaturas de 20 planos en ventanas de diferentes tamaños. Combinando el análisis hidroquímico y el mapa de hidrogeomorfotipo basado en objetos, se modeló gráficamente la variabilidad de las áreas de contribución para el evento seleccionado que ocurrió durante la temporada de lluvias utilizando los valores logarítmicos de acumulación de flujo que se ajustan mejor a las áreas de contribución. Los resultados nos permitieron identificar el componente de escorrentía en el hidroquimógrafo para cada paso de tiempo y calcular una contribución de descarga específica de cada tipo hidrogeomorfo. Este tipo de enfoque podría ser útil aplicado a captaciones similares, dominadas por lluvias, boscosas y sin karst 25 en la ecorregión mediterránea.

Lea el estudio de investigación completo.

Fuente: Domenico Guida1, Albina Cuomo (1), Vincenzo Palmieri (2)
(1) Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Salerno, Fisciano, 84084, Italia
(2) ARCADIS, Agencia para la Defensa del Suelo de la Región de Campania, 5 Nápoles, Italia

Corrección de datos de nivel de agua para fluctuaciones de presión barométrica

Corrección de datos de nivel de agua para fluctuaciones de presión barométrica

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:

  1. El papel de la recarga debido a la lluvia y la alta transmisividad alrededor del área del lago Harasib
  2. La buena conexión hidráulica y conductividad del acuífero
  3. La falta de capas de confinamiento (es un acuífero no confinado profundo y rígido)
  4. 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.
  5. 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

Registradores de nivel que monitorean los niveles de agua en Venecia

Registradores de nivel que monitorean los niveles de agua en Venecia

La Piazza San Marco nunca se inundará: los registradores de datos de nivel de STS se utilizan para medir continuamente los niveles de agua subterránea en la Piazza San Marco. Estos son particularmente robustos y también son adecuados para su aplicación en varios escenarios.

En 2003, la empresa SPG comenzó a instalar varios registradores de datos de aguas subterráneas en la Piazza San Marco de Venecia. Estos fueron diseñados para las demandas específicas y poseen, sobre todo, el atributo de soportar varios días sumergidos en aguas salinas, ya que con las mareas crecientes, la Piazza San Marco se inunda regularmente. El sitio opera en conjunto con los esfuerzos iniciados por la autoridad reguladora del agua para proteger las lagunas y la ciudad de Venecia de las inundaciones.

El consorcio designado de Venezia Nuova designó el muelle frente a la Piazza San Marco con características técnicas innovadoras. El desafío consistió en monitorear el flujo de agua subterránea, que se fue desplazando gradualmente desde el área del sitio a los edificios ubicados detrás. A pedido del cliente, se instalaron registradores de datos de nivel de STS para medir continuamente las fluctuaciones en los niveles de agua subterránea.

El registrador de datos de aguas subterráneas  permite una medición simultánea de nivel, temperatura y conductividad en rangos de 0… 50 cmWS a 0… 250 mWC, -5 a 50 ° C y 0.020… 20 mS / cm. Cuando sea necesario, el usuario final puede adaptar una unidad de transmisión de datos en cualquier momento. El registrador presenta una operación simple y fácil de usar, una memoria de medición extendida para hasta 1.5 millones de lecturas y un diámetro de sonda de solo 24 mm o 10 mm.

Las unidades enchufables también permiten la posibilidad de extensión de cable. Las nuevas funciones del software también se pueden actualizar sin que sea necesario devolverlas por parte del usuario final. Las baterías de litio estándar se pueden cambiar en el sitio en poco tiempo. Los datos pueden transferirse en formato ASCII o XML y procesarse posteriormente utilizando software estándar como Excel. Los intervalos de almacenamiento de datos variables que dependen de la presión o el tiempo permiten mediciones versátiles.

Mediante el uso de varios materiales, incluido el acero inoxidable, titanio, PUR, PE o cable de teflón, se logra una tolerancia media alta para las más variadas aplicaciones, como vertederos, sitios contaminados, pruebas de bombas, alarmas de nivel alto de agua y descarga / desbordamiento. registro en cuencas de desbordamiento de lluvia.

Publicación original: Revista Construction

Agua a pesar de la sequía

Agua a pesar de la sequía

Los expertos en gestión del agua del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han construido una presa subterránea con una planta hidroeléctrica integrada dentro de una caverna kárstica en la isla indonesia de Java. La central eléctrica ubicada a 100 metros bajo tierra ahora proporciona abundante agua de la caverna durante la estación seca. Dos registradores de datos instalados allí miden los niveles de agua tanto delante como detrás del muro de la presa. El nivel del agua superior alcanza los 15 – 20 m, mientras que el nivel inferior, donde el agua se descarga nuevamente desde la turbina, alcanza un máximo de 2 m.

La zona kárstica de Gunung Kidul en la costa sur de Java es una de las regiones más pobres de Indonesia. El suelo es demasiado árido para un suministro abundante y en la estación seca las aguas que fluyen realmente se secan. El agua de la temporada de lluvias se agota con bastante rapidez, pero se acumula dentro de un sistema de cuevas subterráneas. Este depósito de agua natural ahora se ha aprovechado con una central eléctrica de cueva. El hecho de que incluso en la estación seca más de 1.000 litros de agua por segundo fluyan a través de la cueva Bribin habla de la ubicación ideal de esta presa. En lugar de turbinas complejas, la energía mecánica para impulsar las bombas de alimentación se genera mediante bombas de circulación de accionamiento inverso. Las cinco bombas de alimentación que operan en paralelo son, por lo tanto, muy rentables, ya que solo generan costos de operación y mantenimiento menores. Las bombas de suministro envían parte del agua a 220 m de altura a un lago llamado Embalse Kaligoro situado sobre una montaña. El obstáculo clave de este proyecto se superó con éxito durante la fase de prueba de represas. La cueva retuvo el agua de manera efectiva y de hecho se logró una altura crucial de la presa de 15 m.

En marzo de 2010, la instalación se entregó a las autoridades indonesias. Ahora puede proporcionar a 80.000 personas hasta 70 litros de agua por día. Anteriormente, la población solo disponía de 5 a 10 litros diarios durante la estación seca, para fines de higiene personal, domésticos y ganaderos. Por cierto, cada alemán usa una media de 120 litros por día, a modo de comparación.

Función de los registradores de datos de presión

Los registradores de presión miden los niveles de agua delante y detrás del muro de la presa. El nivel normal asciende a 15 m, pero puede alcanzar hasta 20 m durante las fuertes lluvias. Las otras sondas miden el nivel del agua mientras están sumergidas, en particular cuando el agua sale de la turbina. En esta zona se registran niveles de hasta 2 m. Los registradores de presión de STS fueron elegidos debido a su alta capacidad de sobrecarga de 3 veces su rango de escala completa, la baja desviación de características de 0.1% máximo y una estabilidad mejorada a largo plazo de entre 0.1% y 0.5% FS por año.

Estos registradores de nivel cubren rangos de presión entre 0 – 100 mbar y 0 – 600 bar, lo que permite mediciones de nivel en los rangos de 0 – 100 cmAq a 0 – 6,000 mAq. El intervalo de medición en sí es variable entre 0,5 sy 24 h. Las unidades se distinguen además por una memoria de datos de medición de hasta 1,5 millones de valores medidos y un diámetro de sonda estrecho. Además, sus baterías de litio estándar se pueden cambiar en el sitio en muy poco tiempo.

Los intervalos de almacenamiento de datos variables que dependen de la presión o el tiempo permiten mediciones flexibles. Con el uso de diversos materiales como acero inoxidable, titanio, PUR, PE o cable de teflón, se logra una tolerancia media alta, lo que permite las más variadas aplicaciones. Además de los registros de nivel de agua subterránea, pozos, perforaciones, lagos y ríos, estos registradores de nivel también son adecuados para pruebas de fugas en proyectos de gas, agua y otros ductos, así como análisis de ductos y pruebas de presión en redes de ductos de calefacción de gas, agua y calefacción comunitaria. . También han demostrado su eficacia en estaciones de control de presión de gas y en la verificación de una presión de suministro constante.

Fuentes:  Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) – Instituto de Gestión del Agua y de las Cuencas Fluviales (IWG)

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