MODELAMIENTO DE AGUAS SUBTERRANEAS

M.Sc. Ing. Hugo Amado Rojas Rubio

Universidad Nacional del Santa Escuela de Ingeniera Civil

QUE ES UN MODELO?---- Un modelo es la representacin de un sistema real

* Modelo Fsico (Ej. Tanques con arena en Laboratorio), simula directamente el flujo del agua subterrnea

* Modelo Matemtico, simula el flujo del agua subterrnea indirectamente mediante las ecuaciones que gobiernan el Flujo y las cargas a lo largo de las fronteras del modelo

PORQUE USAMOS MODELOS DE AGUA SUBTERRANEA

Datos dispersos y complejos requieren de herramientas para su analisis. La lentitud de los procesos en acuiferos requieren poderosas herramientas para su prediccion nicamente las cargas pueden ser medidas, a pesar que las cantidades de flujo y transporte son de inters Se justifican grandes esfuerzos para la interpretacin de datos bastante costosos.

APLICACIN DE LOS MODELOS DE AGUA SUBTERRANEA Calculo de Interferencia entre pozos Diseo de campo de pozos Sostenibilidad de campos de pozos

Abastecimiento de Agua

Geotecnia

Flujo a travs de cuerpos de presas Drenaje en pendientes Drenaje minero Flujo y presiones de agua en tneles Tiempo de viaje de las aguas subterrneas Delimitacin de reas de proteccin Diseo de sistemas de remediacin Estudios de impacto ambiental

Contaminacin

APLICACIN DE LOS MODELOS DE AGUA SUBTERRANEA

Los modelos son tiles para procesos de recuperacin de aguas contaminadas: Atenuacin Natural Mtodos In-Situ Remocin de fuentes/plumas Contencin Hidrulica Barreras Fsicas Muros de contencin de rellenos de tierra Combinaciones

ELABORACION DEL MODELOS (PROCEDIMIENTO)

aggc@lamolina.edu.pe

Propsitos del Modelo Predictivo: Modelos usados para predecir las consecuencias de una accin propuesta. Interpretativo: Modelos usados para estudiar e interpretar esquemas existentes en lugares especficos y sistemas dinmicos de organizacin de datos de campo

Modelo Conceptual Un modelo Conceptual es una representacin grafica del sistema de flujo del agua subterrnea, frecuentemente en forma de secciones transversales. La naturaleza del modelo conceptual determinara las dimensiones del modelo numero y el diseo del mallado. Son tres los pasos para construir el modelo conceptual: Definir las unidades hidroestratigraficas Preparacion de una balance de agua Definicion del sistema de flujo

Traslacin de la Informacin Geologa hacia el Modelo Conceptual

Modelo Conceptual

Balance de Agua

Seleccin de Los Algoritmos Matemticos Para la solucin de las ecuaciones de FlujoLa siguientes preguntas deberan ser efectuadas cuando se seleccione el cdigo de computacin: El cdigo rene mi inters especial? La exactitud del cdigo ha sido verificado o comparado con uno o mas soluciones analticas? El cdigo ha sido usado en otros estudios con xito?

El Modelo vs El Cdigo de ComputoModelo = Representacin de la Naturaleza real (aplicacin de un Cdigo) Incorpora caractersticas fsicas del Sistema natural en su contexto numrico Geologa Propiedades hidraulicas Fuentes Condiciones de frontera Observaciones Calibracion o valores de frontera Cdigo = Herramienta para desarrollar un Modelo.

Usa expresiones matemticas para solucionar las ecuaciones de flujo y de transporte de contaminantes. Ecuaciones que gobiernan el flujo del agua subterrnea (Darcy) Ecuaciones de Transporte, adveccin, dispersin, sorpcion,

Malos Cdigos son Raros, Malos modelos son Comunes

El Diseo del ModeloEl modelo conceptual es estructurado en su forma mas apropiada para el Modelamiento, incluyendo los siguientes pasos: Seleccin preliminar de los valores de los parmetros del acufero Discretizacin del sistema (diseo del mallado) Definicin de las condiciones de frontera y condiciones iniciales Seleccin del paso de tiempo,t

El Diseo del ModeloRequerimientos de Datos para un modelo de flujo del Agua Subterrnea Marco Fsico: Mapas Geologicas y secciones

Planos Topogrficos mostrando la superficie del terreno, cuerpos de agua y divisoria de aguas. Mapas con curvas de nivel mostrando el techo y la base de los diversas capas identificadas. Isopacas (mapas) mostrando el espesor del acufero y capas confinantes

Nota: Mayor densidad de datos incrementa el reto en la calibracin del modelo Considere si esto garantiza el logro de sus objetivos.

El Diseo del ModeloRequerimientos de Datos para un modelo de flujo del Agua Subterrnea Marco Hidrogeolgico: Mapas de Hidroisohipsas para todos los acuiferos Hidrogramas con cargas de agua subterrneas, niveles de agua, y descargas Distribucin espacial de K y T Propiedades de almacenamiento (S,Sy, Ss) de los acuferos y capas confinantes Datos de Evapotranspiracin, recarga de agua subterrneas, interaccin de las aguas superficiales y subterrnea, bombeo, y descarga natural.

Las condiciones de frontera son definiciones matemticas que especifican la variable dependiente (carga) o la derivada de la variable dependiente (flujo) para la frontera con dependencia.

El Diseo del ModeloRequerimientos de Datos para un modelo de flujo del Agua Subterrnea Marco Hidrogeolgico: Hay tres diferentes tipos de fronteras:

Fronteras Fsicas son formadas por la presencia de cuerpos impermeables o grandes cuerpos de agua.Fronteras Hidrulicas, incluye divisorias y lneas de flujo.

El Diseo del ModeloLas Fronteras Hidrogeolgicas son representadas por tres tipos de Condiciones matemticas:Tipo 1: Fronteras con cargas especificadas (condicin de Dirichlet) para las cuales la carga es dada. Tipo 2: Fronteras con flujo especificado (condiciones de Neumann) para las cuales la derivada de la carga (flujo) a travs de la frontera es dada. Tipo 3: Fronteras con flujo dependiente de las cargas (condicin de Cauchy o mixta) para el cual el flujo a travs de la frontera es calculada para una carga especificada en la frontera.

El Diseo del Modelo Diseo del Mallado (Grids)El diseo del grid comprende los siguientes pasos: Definicin de las capas del Modelo (monocapa o multicapass ?) Orientacin del grid (los ejes x ,y, z deben ser colineales con Kx, Ky, Kz) Seleccin de los espaciamientos entre nudos o mallas (ejemplo: mallas finas sern usados para sistemas altamente heterogneas; pero grids con pequeo numero de nudos es preferida a fin de minimizar el manejo de datos y tiempo de computo.

El Diseo del Modelo Diseo del Mallado (Grids)

Ejemplo de Diseo de Gridaggc@lamolina.edu.pe

Calibracin Proposito de la Calibracion: Establecer que el modelo pueda reproducir las cargas observadas y caudales en campo. Tcnicas de Calibracin Calibracion Prueba y Error: Los valores de los parametros son asignados inicialmente a cada nudo o elemento del grid. Durante la calibracion, los valores de los parametros son ajustados en el modelo de las corridas secuencias a fin que las cargas y caudales se aproximen a las observadas. Calibracion Automatizada : Modelamiento inverso automatizado es realizado haciendo uso de algoritmos especialmente desarrollados y que son usados con aproximaciones directas o indirectas a fin de resolver el problema inverso.

Verificacin del Modelo Debido a las Incertidumbres en la calibracion , los valores de los parametros usados en el modelo calibrado pueden no representar exactamente lod valores de campo (valores observados). Consecuentemente, el modelo puede no representar exactamente el sistema bajo diferentes condiciones de frontera. La verificacion del Modelo ayudar a establecer mayor confianza en la calibracin. En un tpico ejercicio de verificacin, los valores de los parmetros determinados durante la calibracin son usados para simular una respuesta transitoria para el cual un conjunto de datos de campo deben existir (por ejemplo datos de pruebas de bombeo, variacin de los niveles de agua).

Prediccin En una simulacion predictiva, los parametros determinados durante la calibracin y verificacin son usados para predecir la respuesta del sistema acufero a futuros eventos o escenarios futuros. Una importante actividad es determinar la longitud de tiempo para el cual el modelo predecira con exactitud en el futuro. La confianza de ubicar en el modelo predicciones depende mucho de los resultados de la calibracin, anlisis de sensibilidad, y pruebas de verificacin.

Auditoria Posterior La auditoria posterior es realizada varios aos despues de haberse realizado el modelamiento Nueva informacion de campo es colectada a fin de determinar si la prediccion fue correcta. Si la prediccion fue exacta, el modelo es validado para aquel lugar en particular. La auditoria posterior deber ocurrir mucho tiempo despus de que la prediccin se haya realizado a fin de asegurar de que este fue el periodo adecuado que ocurran cambios significativos.

Items Finales : Porque usar modelos numricos? Integrar todos los aspectos del lugar Cuantificar todos los factores relevantes Comprender mejor los procesos en el sistema acufero Mejorar las decisiones para el manejo del acufero Evaluar futuros impactos Experimentar diseos de descontaminacin de acuferos

Items Finales : Porque evitar modelos numricos? El alcance deseado es muchas veces ms caro que el presupuesto. Ellos a menudo exponen nuestra ignorancia. Puede dar falsos intervalos de confianza si es tomado demasiado terico

Items Finales Enfasis en el modelo conceptual

Garbage in, garbage out! Basura ingresa, basura sale Evitar presiones de dar una respueta final . con un modelo se trabaja de a poco, de forma progresiva. Aceptar que no hay una nica regla. prueba tantos modelos como sea posible de tal modo que estas describan los datos. Que no realizar: Tratar de representar todo a la vez La lucha por ajustar un nico modelo para un grupo de observaciones y presentar la respuesta No revisar el modelo con nuevos datos ligeros (poca informacin nueva)