E. Vázquez-Suñé, X. Sánchez-Vila y J. Carrera

Dept. Enginyeria del Terreny. Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)

Jordi Girona 1-3, Edificio D2. 08034 Barcelona, España

Availability and quality of groundwater resources is seriously affected by urbanization in many large cities. This leads to significant social, environmental, economical, and political implications. Any urban hydrology study requires a detailed analysis of water fluxes flowing in and out of the system, including their magnitude and relative importance. Analyzing the quality of the resources is another key issue. In any real case study one has to face at least three aspects: (1) process identification, (2) aquifer characterization, and (3) water resources management. This methodology has been applied to the city of Barcelona. The outcome is a groundwater model that allows defining, characterizing, and quantifying the potential risk of aquifers, both on urban structures, and upon population. In this sense, it may become a management tool. This is an important step towards convincing city managers to consider groundwater as one of the topics to be taken into account in city planning.

La progresiva urbanización de las ciudades ha comprometido la disponibilidad y calidad de las aguas subterráneas, con las consiguientes implicaciones sociales, ambientales y económicas.

Cualquier estudio de hidrogeología urbana requiere un análisis detallado de los flujos de entrada y salida al sistema, indicando su magnitud e importancia relativa. En el análisis se deben considerar tanto la cantidad como la calidad de las aguas, enfocándolo en al menos tres aspectos: (1) identificación de los procesos, (2) caracterización de los acuíferos, incluyendo la integración de los datos hidrogeológicos y (3) gestión de los recursos de agua. Esta metodología ha sido aplicada a los acuíferos que subyacen la ciudad de Barcelona. El resultado es un modelo hidrogeológico que, además de integrar la información disponible, permite definir y cuantificar los riesgos potenciales o existentes sobre los acuíferos y los sistemas naturales asociados a ellos, sobre las infraestructuras urbanas y en consecuencia sobre la población. En este sentido, el modelo se puede considerar como una herramienta de gestión de los recursos subterráneos. Esto es un primer paso para que los gestores públicos consideren las aguas subterráneas como un aspecto más a tener en cuenta en el momento de la planificación urbana.

En la actualidad los estudios sobre hidrogeología en zonas urbanas están motivados por la fuerte interacción entre las aguas subterráneas y el desarrollo socioeconómico de las ciudades.

En los últimos años se ha visto como la problemática ligada a las aguas subterráneas es muy similar en gran cantidad de ciudades repartidas por el mundo. La progresiva (y en algunos casos acelerada) urbanización afecta tanto a la disponibilidad del agua como a su calidad, lo cual tiene importantes implicaciones sociales, ambientales, económicas y políticas. Por este motivo, tanto los investigadores como los gestores municipales abordan los mismos problemas, aunque muchas veces de forma independiente o no integrada en un esquema de trabajo conjunto, lo que supone un error claro de planteamiento.

En este artículo se presenta la metodología que se ha seguido en un amplio estudio para la caracterización hidrogeológica en la ciudad de Barcelona dentro de un marco de gestión sostenible de los recursos hídricos y en contacto directo con las autoridades locales (UPC et al. 1997). En primer lugar se hace hincapié en cuáles han sido las motivaciones de los gestores locales para abordar este estudio. Posteriormente se presenta el esquema de trabajo, que ha consistido en tres pasos: (1) identificación de los procesos, (2) caracterización hidrogeológica y (3) gestión de los recursos hídricos.

La primera fase de trabajo se asemeja al de un estudio hidrogeológico clásico, donde la diferencia fundamental consiste en que se trata de una zona urbana, lo que supone un esfuerzo preliminar de caracterización de las fuentes de recarga y de las descargas. El trabajo contempla, por tanto, el estudio geológico, conceptualización hidrogeológica, establecimiento y cuantificación preliminar de las fuentes de recarga, condiciones de contorno del sistema, etc., de manera que se pueda establecer un balance global de las aguas subterráneas. Finalmente toda esta información se sintetiza y articula en un modelo hidrológico. Seguidamente se presentan las principales características tanto del modelo conceptual como del modelo numérico y su aplicación en la gestión de las aguas subterráneas en la ciudad de Barcelona.

La ciudad de Barcelona se localiza en el NE de España. Geográficamente, se enmarca entre la Sierra de Collcerola (máxima elevación 500 m.s.n.m.), el mar Mediterráneo y dos ríos, el Besós y el Llobregat. Bajo la ciudad existen diversos acuíferos, constituidos por formaciones geológicas de diferente composición litológica y edad (ver Figura 1). El acuífero paleozoico está compuesto por esquistos y granitos. Los acuíferos cuaternarios corresponden a los sedimentos aluviales y deltaicos asociados a los ríos Besós y Llobregat; en las zonas intermedias (llano de Barcelona) existe un recubrimiento de sedimentos asociados a conos de derrubios y deyección provenientes de la sierra.

Durante los últimos años se ha venido observando un progresivo incremento de las filtraciones de agua en las diversas infraestructuras urbanas subterráneas, públicas o privadas (red de Metro, sótanos, alcantarillado, estacionamientos subterráneos, etc.). Para entender la magnitud del problema baste decir que la cantidad de agua que la red de Metro debe extraer de sus túneles (en 1996) es de unos 12 hm ³ /año, de los que al menos las dos terceras partes (unos 7 hm ³ /año) provienen de entrada de agua freática. Además el problema de las filtraciones no es localizado sino que se da en general en toda la ciudad, incluso en las zonas de topografía elevada (Figura 2).

En la actualidad, el impacto económico que se deriva de esta situación es muy elevado, debido a los costes de drenajes, impermeabilización, instalaciones de bombeo, evacuación de las aguas bombeadas, y por supuesto los costes energéticos que se derivan. Además es importante señalar el mal uso que supone utilizar el alcantarillado público para la evacuación de estas aguas, ya que pueden afectar al correcto funcionamiento del sistema, sobre todo en épocas de necesidad tales como las tormentas de verano, así como producir un sobrecoste en la depuración de las aguas residuales al aumentar los caudales que llegan a las plantas de tratamiento.

Aparece además el problema adicional del efecto que las filtraciones puedan provocar en la estabilidad de las propias estructuras, ya que en muchos casos las aguas infiltradas arrastran finos procedentes del hormigón o son aguas con alto contenido en hierro, procedente de la degradación de las armaduras. Esto compromete la seguridad estructural. Una alternativa consiste en mantener el nivel del agua subterránea por debajo de las cimentaciones de modo artificial, pero esto supone también un coste muy elevado.

Un estudio preliminar ha permitido determinar las causas históricas del ascenso de los niveles freáticos. Desde mediados del Siglo XIX los acuíferos que subyacen la

ciudad han sido fuertemente explotados. Esta situación se ha ido acentuando a lo largo del presente siglo. Esta fuerte explotación sostenida produjo un claro descenso del nivel piezométrico.

En algunas áreas, incluso, los niveles llegaron a estar por debajo del nivel del mar, con la consiguiente salinización y pérdida de calidad del agua subterránea.

A partir de la década de los 70, la crisis económica y la presión urbana causaron la desaparición de muchas industrias o su traslado a polígonos industriales situados fuera de la ciudad. Esto provocó una disminución de las extracciones con una progresiva recuperación de los niveles piezométricos y en consecuencia un aumento de las filtraciones. Durante los últimos 30 años, el nivel piezométrico ha ascendido entre 1 y 15 m según la zona (Figura 3).

Este continuado ascenso de nivel constituye un grave problema para muchas estructuras subterráneas, ya que muchas de ellas fueron realizadas en épocas en que los niveles estaban bajos y no se  consideró en su momento la posibilidad de un futuro ascenso.

Su construcción, por tanto, se llevó a cabo sin considerar medidas frente a posibles filtraciones.

Para las autoridades locales ha sido muy importante conocer las causas que han producido estas importantes filtraciones, pero su interés fundamental es cuál puede ser la evolución futura de los niveles piezométricos. El agua almacenada en el subsuelo es susceptible de ser explotada y/o gestionada con el fin de frenar, o incluso disminuir, el ascenso de los niveles, permitiendo a la vez su utilización para determinados usos públicos. Esta posibilidad de gestión debe incluirse en la planificación de los recursos hidráulicos con el fin de minimizar los impactos sobre las aguas subterráneas en el marco de unas condiciones de sostenibilidad ambiental. Una vía para conseguir estos objetivos es la progresiva sustitución del agua potabilizada y de alta calidad por agua de menor calidad, atendiendo a los posibles usos a que pueda destinarse, tales como limpieza de calles, limpieza de la red de alcantarillado, riego de parques y jardines, otros usos industriales, etc., siempre considerando su posible viabilidad técnica y económica.

Dicha planificación debe incluir:

?Cuantificación del volumen de aguas subterráneas susceptible de utilización.

?Cuáles son los usos posibles para esas aguas.

?Propuestas técnicas para la construcción de pozos y régimen de extracción.

?Estudios de financiación y viabilidad económica.

?Propuestas y posibilidades de gestión.

?Sistemas de control para el seguimiento del nivel piezométrico y la explotación del acuífero.

Para llegar a precisar los puntos comentados la metodología seguida ha sido la definición de un modelo conceptual en el cual se incide sobre los aspectos de geometría y definición de acuíferos, evolución piezométrica, extracciones, parámetros hidrogeológicos, hidroquímica y cuantificación del balance (Vázquez-Suñé et al. 1997). Una vez definido el modelo conceptual de funcionamiento del sistema se ha procedido a la modelización numérica del flujo subterráneo con la intención de integrar todos los datos y observaciones, validar el modelo conceptual, cuantificar el flujo con mayor precisión y finalmente prever la evolución futura del sistema bajo diversas hipótesis o escenarios.

Para la realización de la modelación numérica del flujo subterráneo se ha confeccionado una importante base de datos que incluye información geológica, niveles piezométricos, datos químicos, parámetros hidráulicos, etc., en más de 1.000 pozos y sondeos realizados en la ciudad a lo largo del presente siglo, que es el dominio temporal del modelo. Asimismo se ha establecido una red de control permanente formada por 30 pozos en los cuales se mide periódicamente (cada 3 meses) el nivel piezométrico y se realizan muestreos hidroquímicos. Por otro lado y con el fin de determinar con mayor precisión los parámetros hidráulicos, se han realizado e interpretado ocho ensayos de bombeo de los diferentes acuíferos presentes. Conocida la geometría de los acuíferos se ha definido una discretización del dominio según una malla de elementos finitos (Figura 4) formada por 951 nudos i 1762 elementos triangulares.

En función del modelo conceptual previamente establecido se ha definido una serie de condiciones de contorno y zonificación de parámetros hidrogeológicos (transmisividad, coeficiente de almacenamiento, recarga y bombeos). Las obras subterráneas de carácter lineal (Metro, Ferrocarril, drenajes y ríos) reciben un tratamiento propio. En estos casos las extracciones son una función de la relación entre el nivel piezométrico y la cota de nivel de referencia (solera del túnel, cota del río). Así el caudal de agua que se extrae puede escribirse como:

donde Q es el caudal extraído, a es el coeficiente de goteo, h es el nivel piezométrico en el acuífero, H es la cota de la solera de la obra en un punto determinado y L la longitud del tramo. En el caso de estas obras el tratamiento ha de contemplar que no siempre han existido y, por tanto, las extracciones son nulas hasta el momento de su construcción (independientemente de la evolución de los niveles).

Dado el intenso dinamismo de sistema se ha buscado una situación inicial en régimen estacionario correspondiente a la situación del año 1900. Dado que no existen muchos datos de principios de siglo se han tomado tiempos de cálculo de un año en el periodo 1900 a 1960. A partir de aquí y hasta 1997 los tiempos de cálculo son trimestrales.

El programa utilizado para la calibración ha sido TRANSIN_III (Galarza et al., 1996), que se ha desarrollado en el Departamento de Ingeniería del Terreno y Cartográfica de la Universidad Politécnica de Cataluña. Es un programa de elementos finitos que permite la calibración automática de diversos parámetros hidrogeológicos. En el proceso de calibración intervienen 414 puntos de observación (pozos), con un total de 2000 medidas de nivel). El ajuste obtenido entre los niveles medidos y los calculados se muestra en la Figura 5.

Una de las salidas del modelo es el balance global del sistema (Tabla 1). La cuantificación de los diferentes términos del balance es de gran importancia, en especial en dos aspectos: (a) conocer cuáles son los puntos sobre los que debe incidir una correcta gestión de las aguas subterráneas y (b) sugerir posibles medidas correctoras.

Tabla 1: Balance global de las aguas subterráneas en diversos años (en hm ³ /año)

El balance permite cuantificar con mayor precisión la recarga en zonas urbanas (véase Vàzquez-Suñé y Sánchez-Vila, 1997 para las estimaciones previas). La recarga está condicionada por las pérdidas en las redes de abastecimiento y alcantarillado, que constituyen la parte más importante del volumen de agua que entra en los acuíferos. Otras entradas son los excedentes de riego de zonas ajardinadas y la posible infiltración de lluvia. Este último valor ha ido disminuyendo debido a la progresiva urbanización.

En la Tabla 1 se aprecia también la relación entre las extracciones y la entrada de agua de mar, que llegó a ser de casi 20 hm ³ /año. Desde entonces se ha producido una disminución de estas entradas hasta finalmente producirse unas salidas netas. Este efecto también se pone de manifiesto en la mejora progresiva en la calidad de las aguas subterráneas observada. También se aprecia el incremento progresivo de las filtraciones a la red de Metro, asociadas al ascenso del nivel freático.

La variación de almacenamiento es claramente positiva en los últimos años, lo cual se corresponde con una situación de ascenso de los niveles piezométricos. Los niveles mínimos históricos se dan entre los años 1960-80, que corresponde a una época de expansión económica de la ciudad, en la que hubo un gran crecimiento urbanístico y se construyeron numerosas obras públicas. En esos momentos poca gente pensaba que los niveles piezométricos iban a recuperar su situación histórica, por lo que numerosas obras fueron construidas sin medidas de impermeabilización o drenaje. Esta falta de previsión es la causa principal de los problemas de filtraciones actuales.

Las consideraciones económicas asociadas a la evolución de las aguas subterráneas se deben incluir en un contexto de gestión de los recursos. Se distingue entre un contexto global (ámbito de actuación, costes asociados, interacción con otros aspectos de la gestión del agua, planificación urbanística, etc.) y un contexto local.

En el contexto global se incluye el modelo hidrogeológico y la red de observación permanente. La interrelación entre ambos permite definir las áreas de mayor riesgo de la ciudad, en las que diseñar los sistemas de extracción más adecuados para controlar el ascenso de niveles si ello fuese necesario.

En el contexto local el modelo puede usarse para definir actuaciones puntuales, obras de aprovechamiento locales, así como para predecir los posibles efectos de tales acciones. En este sentido el modelo presentado en este artículo ya ha sido utilizado en varios estudios de detalle, uno de los cuales se presenta a continuación. En el mismo se comentan las motivaciones, las partes implicadas, el uso del modelo, los resultados y las decisiones finalmente adoptadas.

El caso seleccionado corresponde a las posibles afecciones que puede producir sobre los acuíferos adyacentes la construcción de un parque fluvial en las proximidades del cauce del Río Besós. Esta obra se enmarca en la idea global de recuperar parte del espacio urbano para el uso de la población. El cauce del Río Besós discurre en su tramo final en un ámbito netamente urbano, fuertemente antropizado. Las actuaciones previstas son múltiples, por un lado se pretende que el agua del río, tras una primera fase de depuración, sirva para el riego de unas zonas húmedas (cañizos) y zonas verdes (prados) asociadas a los márgenes del río. Se modificará el trazado del río e incluso se crearan zonas de lagunas artificiales, de manera que éste recupere un aspecto más "natural". Además estas zonas de cañizos están especialmente diseñadas para el paso de un importante volumen de agua, 300 l/s, y sirven para eliminar los nutrientes que todavía mantiene el agua tras la primera fase de depuración. Una vez las aguas han pasado por los cañizos vuelven al cauce del río con una menor carga orgánica.

Este parque supone la aportación de una importante cantidad de agua en los márgenes del Río Besós, por lo que pudiera tener un efecto potencial sobre los niveles freáticos. Así, una posible recarga de parte de esta agua al acuífero podría provocar un ascenso adicional y no deseado de los niveles piezométricos, en una zona en la que ya han subido mucho en los últimos años. Esta situación podría producir un importante impacto económico en diversas obras subterráneas públicas y privadas.

El estudio de detalle tenía el objetivo de cuantificar el agua que es susceptible de recargar los acuíferos en estas extensas zonas húmedas, cuál puede ser su efecto sobre el conjunto de los acuíferos, a qué estructuras urbanas se puede afectar y en cualquier caso cuáles serán las acciones a realizar para corregir dichos impactos.

Las distintas administraciones y empresas afectadas por las posibles decisiones son (1) Barcelona Regional S.A., que es la empresa que diseña y construye el parque, (2) el Ayuntamiento de Barcelona, decidido por un desarrollo urbanístico que permita recuperar espacios para usos públicos, y preocupado por el desarrollo sostenible de los recursos de la ciudad, (3) la Junta d’Aigües de Catalunya (organismo gestor de la Cuenca Hidráulica) que debe proporcionar el permiso de obras, para lo cual exige que se justifique que el conjunto de las actuaciones no agravará el problema del ascenso de niveles en los acuíferos o que en su caso se propongan las medidas correctoras más adecuadas, (4) Transportes Metropolitanos de Barcelona, cuyo objetivo es reducir las filtraciones a los túneles y estaciones subterráneas de la red del Metro y (5) algunos particulares que se ven afectados por las filtraciones en sus propiedades (estacionamientos, sótanos, etc.).

Con el fin de simular en el modelo tanto las zonas húmedas como las áreas de prados, se ha incorporado al modelo una zona paralela al cauce del Río Besós, en la que se aplica una condición de caudal fijo prescrito que representa la recarga a partir de las posibles pérdidas en las estructuras de riego. Este caudal fijo se introduce durante un periodo de cinco años (1992-1997) y se estudia el impacto que habría producido el parque si se hubiese construido a partir de esa fecha. Esto permite comparar los efectos sobre la situación actual (real y conocida).

Se consideran tres alternativas sobre posibles caudales infiltrados desde las áreas de riego. Las dos primeras marcan los casos extremos: el caso más favorable, y el más desfavorable.

Cualquier situación real quedará siempre encuadrada entre estos dos. El caso más favorable es suponer que las obras no tienen ningún efecto sobre los niveles piezométricos. Esta situación corresponde al caso actual (sin obras) que se toma como punto de partida. Se destaca como los niveles no están totalmente estabilizados, sino que presentan una tendencia ascendente.

La segunda alternativa corresponde al caso opuesto (el más desfavorable). Se supone una infiltración del 100% del caudal que circula por las zonas húmedas (hipótesis conservadora y alejada de la realidad).

Respecto al caso anterior, los ascensos observados oscilan entre 0.4 y 2 m (Figura 6). En realidad el ascenso máximo estaría limitado por la topografía.

La tercera alternativa pretende ser más realista y se basa en limitar la recarga a la máxima admisible, independientemente del agua que circula y que dependerá de la permeabilidad del sistema de balsas de riego.

Suponiendo una conductividad hidráulica para el material que se usa para impermeabilizar las zonas de riego, de acuerdo con sus características, el caudal máximo potencialmente infiltrable se ha calculado en unos 14 l/s, que corresponde a menos de un 4% del agua que se prevé derivar de la depuradora hasta el Parque Fluvial. En estas condiciones las variaciones respecto a la situación de referencia son ascensos máximos menores de 0.1 m.

En resumen, bajo una hipótesis razonada, los ascensos del nivel piezométrico producidos por las obras son muy pequeños respecto las variaciones naturales que pueden producirse durante el mismo periodo (que pueden ser de algunos centímetros a pocos metros). Además, otros posibles efectos, como serían las variaciones en la conexión río-acuífero, son también poco importantes.

Dado que los posibles impactos derivados de la construcción del Parque Fluvial no son muy importantes, se propone establecer una red de control de niveles piezométricos que permita ratificar que los efectos de su construcción son pequeños y en caso que no fuese así permita reaccionar de forma rápida y coordinada para impedir la entrada de agua al medio acuífero. Esto es de gran importancia sobretodo en la fase inicial de puesta en marcha del parque. Además es conveniente que estos puntos de control se integren en la red general de control de aguas subterráneas actualmente existente.

Existen otros ejemplos de utilización del modelo hidrogeológico como herramienta de gestión. Uno de ellos consiste en cuantificar los caudales y descensos esperables en el diseño de una red de extracciones para deprimir el nivel freático en el entorno de los túneles del Metro en ciertas áreas de la ciudad. Las aguas así derivadas se destinan al riego de algunos jardines. Es importante poder cuantificar los caudales de extracción, los costes asociados y los posibles efectos secundarios (p. ej., intrusión marina inducida en zonas próximas al mar).

El estudio del agua subterránea en zonas urbanas está motivado por su gran interrelación con el desarrollo socioeconómico y urbanístico de la ciudad, no siempre tenida en cuenta. Un análisis global de los impactos de las aguas subterráneas en la ciudad debe contemplar la conceptualización del funcionamiento hidrogeológico (realizados por hidrogeólogos), la gestión integral del agua (compañías públicas o privadas) y la planificación urbanística (políticos). Una forma de articular toda esta información es mediante el uso de modelos hidrogeológicos que puedan ser manejados o entendidos por los gestores y planificadores.

Los gestores públicos deben considerar las aguas subterráneas como uno de los aspectos a tener en cuenta en el momento de la planificación. En ciudades como Barcelona, u otras en las que se observa un progresivo ascenso de los niveles freáticos que afectan a las infraestructuras urbanas. Su visión ha de contemplar tanto un recurso complementario (riego de parques y jardines, limpieza de calles, redes secundarias de distribución), como una limitación (protección de infraestructuras, limitaciones sobre la construcción, adecuación de los planes urbanísticos), y en cualquier caso deberá actuarse con conocimiento de causa.

Esta metodología ha sido aplicada en Barcelona. En el trabajo se ha hecho hincapié en la representación de las infraestructuras urbanas tales como redes de abastecimiento y alcantarillado, túneles, etc., además de integrar datos desde principios de siglo. Este tipo de modelos han de estar basados en una serie de datos y criterios que permitan definir y cuantificar los riesgos potenciales o existentes sobre los acuíferos y los sistemas naturales asociados a ellos, sobre las infraestructuras urbanas.

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