Javier Lambán (1) y Emilio Custodio (1)(2)

(1) Dpto Ingeniería del Terreno y Cartográfica. Universidad Politécnica de Cataluña. Barcelona

(2) Actualmente en el Instituto Tecnológico Geominero de España. Madrid

In order to obtain the recharge to the Anoia Unit two calculation methods have been applied: water balance in the soil and chemical balance. In both cases a series of areas or subdomains have been established in order to study the different behaviour and contribution of each area to total recharge of the system. To calculate the water balance in the soil the model BALAN has been applied, using the version BALDOS10. The mean recharge value obtained with this method represents the 20–25% of mean yearly precipitation. It has been deduced that 50–60% of the recharge is from forested and brush areas, while 30–40% comes from precipitation on the aquitards. The results obtained from the period 1983–1988 have been applied to precipitation series corresponding to different places of the study area, to consider the space changes. Using the surface runoff calculated by means of BALDOS10 and estimating its chloride content, the mean recharge values derived from the chloride balance among atmospheric precipitation and concentration in the different sampling points, varies in the range 15 to 22% of mean yearly rainfall. This result are reasonably coherent with the 20–25% obtained by means of BALDOS10 and in the espectable uncertitude range.

Para caracterizar la recarga en la Unidad Anoia se han aplicado dos métodos de cálculo: balance de agua en el suelo y balance químico. En ambos casos se han establecido una serie de zonas o subdominios con características homogéneas con la finalidad de estudiar la diferente modalidad y contribución de cada una de las zonas a la recarga total del sistema. Para el balance de agua en el suelo se ha aplicado el modelo BALAN en su versión BALDOS10. El valor de recarga media calculado mediante este método representa el 20-25% de la precipitación media anual, observándose que el 50-60% de la recarga procede de las áreas boscosas y de monte bajo, mientras que el 30-40% procede de la lluvia caida sobre acuitardos. Los resultados correspondientes al periodo 1983-1988 se han aplicado a las series de precipitación en diferentes lugares del área, dadas las variaciones espaciales observadas. Considerando la escorrentía superficial calculada mediante la aplicación de BALDOS10 y estimando el contenido medio en cloruros de dicha escorrentía, los valores medios de recarga obtenidos mediante un balance de cloruros entre la aportación atmosférica y la concentración en los principales puntos de muestreo oscilan entre el 15 y el 22% de la precipitación media anual. Estos resultados son razonablemente coherentes con los valores del 20-25% obtenidos mediante la aplicación del modelo BALDOS10 y dentro del rango de incertidumbre esperable.

El conocimiento preciso de la recarga a los acuíferos ha sido y es uno de los principales retos hidrogeológicos. Es uno de los datos claves para la gestión de los acuíferos. La Unidad Anoia se encuentra situada en la Cordillera Prelitoral Catalana, en el sector NE del denominado Macizo o Bloc del Gaià (Figura 1). Tiene una extensión aproximada de 160 km ² y se encuentra constituida por tres niveles acuíferos carbonatados superpuestos: Muschelkalk Inferior, Muschelkalk Superior y Eoceno Inferior. La lluvia local (600-675 mm/año en media) representa la única fuente de entrada de agua al sistema acuífero.

La recarga en la Unidad Anoia se ha estimado aplicando dos métodos: balance de agua en el suelo y químico. Para el balance de agua en el suelo se ha aplicado el modelo BALAN (Samper y García Vera, 1992), en su versión BALDOS10 (Tore et. al., 1996). El método químico se ha basado en el balance entre el aporte de cloruros atmosféricos y los cloruros disueltos en el agua, en régimen estacionario. En ambos casos se han establecido una serie de zonas o subdominios con características homogéneas con la finalidad de estudiar la diferente contribución a la recarga total del sistema.

Se han diferenciado una serie de zonas o subdominios en función de tres factores principales:

a) afloramiento o no en superficie de los materiales correspondientes a los diferentes niveles acuíferos (Calizas de Alveolinas, Muchelkalk Superior y Muschelkalk Inferior).

b) existencia o no de vegetación sobre los materiales existentes en la Unidad Anoia.

c) tipo de vegetación predominante: bosque, monte bajo o cultivos. Con ello se han identificado tres zonas principales con características homogéneas: acuífero con bosque y monte bajo (Zona 1+2), acuífero con cultivos (Zona 3) y acuitardo (Zona 4), sin referencia al tipo de vegetación predominante. Las extensiones correspondientes a cada una de estas zonas son 50; 6 y 100 km ² respectivamente.

a) Modelo conceptual y esquema de cálculo utilizado.

En la Figura 2 se muestra el esquema de cálculo adoptado para la aplicación del modelo BALDOS10 a la Unidad Anoia, día a día. La escorrentía superficial (ESCO) se calcula según un mecanismo basado en la ley de Horton. El caudal de descarga subterránea está relacionado con la recarga (QPER) y su hidrograma depende de un coeficiente de agotamiento (ALACU). Para cada una de las zonas se han elegido las variables de entrada (Samper y García Vera, 1992) que el modelo requiere.

El caudal total en arroyos, QAR, es la suma de la escorrentía superficial y del caudal de descarga subterráneo, QAC, a los mismos, o sea: QAR = ESCO + QAC.

La salida real total del sistema es la suma de los caudales aforados en el río Mediona (estación 39, St. Quintí de Mediona) y en el río Carme (estación 65, Cal Tort), de la estimación del caudal subterráneo que alimenta el lago de Capellades y del caudal exportado por los sistemas de abastecimiento de la zona. De esta forma se obtiene un caudal (QSRT) usado como término de comparación con las simulaciones realizadas con BALDOS10. El objetivo es reproducir con el modelo (QAR1+2+3+4) la salida real total del sistema (QSRT), en magnitud y forma.

b) Parámetros y variables internas utilizadas Desde noviembre de 1994 hasta marzo de 1995 se realizaron diversas campañas de campo que permitieron un buen conocimiento adicional de la zona de cara al planteamiento del balance. Otros parámetros físicos han sido tomados de la literatura o informes anteriores (Custodio et al. 1973; Custodio y Bayó, 1983). En la Tabla 1 se presentan los valores de los parámetros usados en la simulación final (Tore et. al., 1996). Estos parámetros son el espesor del suelo o profundidad radicular (ESPE), la porosidad del suelo (POR), la capacidad de campo del suelo (CC), el punto de marchitez permanente (PM), la permeabilidad vertical del suelo (PERM) y dos valores que definene la capacidad de infiltración difusa según la Ley de Horton, CIM0 como valor umbral y CIM1>C1M0 cuando la humedad del suelo es igual a PM, de los que se deduce la escorrentía superficial (ver Samper, 1997). La descarga del acuífero se supone que responde a un modelo exponencial monocelular de parámetro ALACU, que después se comentará que es una simplificación excesiva.

El modelo permite adicionar a la recarga difusa (sobre todo la superficie) la posibilidad de recarga preferencial a través de grietas y fisuras (opción 2), lo que permite que una fracción de la precipitación se acumule al medio no saturado sin sufrir evapotranspiración edáfica e incluso su incorporación directa al medio saturado en condiciones adecuadas (Samper, 1997; Custodio 1997a).

Tabla 1.- Resumen de los valores finales de los parámetros usados para la calibración del modelo.

(ESPE=Espesor del suelo; POR=Porosidad total del suelo; CC=Capacidad de campo; PM=Punto de marchitez permanente; PERM:=Permeabilidad vertical del suelo; HUM0=Humedad inicial del suelo; ÁREA=Extensión de la zona homogénea; CIM0=Coeficiente de infiltración inferior; CIM1=Coeficiente de infiltración superior; ALACU=Coeficiente de agotamiento para el acuífero).

La ETP se ha calculado mediante el método de Thornthwaite y la ETR se ha obtenido mediante el método de Penman-Grindley (ver Samper, 1997). La recarga preferencial se ha calculado mediante la opción 2 sin riego (Samper y García Vera, 1992). Por último, la recarga difusa se ha calculado mediante la opción 3 (Samper y García Vera, 1992), que proporciona una expresión contínua para la recarga difusa, sin las variaciones bruscas de tipo escalón que se obtiene cuando se supone el paso inmediato de la recarga al nivel freático.

c) Datos proporcionados por entidades externas utilizados en la simulación.

Se han utilizado la series diarias de precipitación correspondientes a las estaciones pluviométricas de St. Quintí de Mediona (estación 0180) para el período 1-1-61/ 31-12-91 y Ayto. de Igualada (estación 0171C) para el periodo 1-7-83/ 31-8-88. Los datos han sido proporcionados por el Centro Meteorológico Territorial de Cataluña. Los caudales de las estaciones de aforos 39 de St. Quintí de Mediona (Río Mediona) y 65 de Cal Tort (Río Carme) han sido proporcionados por el Centro Estudios Hidrográficos del CEDEX, Madrid. La serie diaria de aforos utilizada va desde 1-10-71 al 1-9-88.

Una salida importante del sistema la constituye las extracciones de agua subterránea de Les Comes (0.08 m ³ /s), Can Bou (0.02 m ³ /s) y Cabrera (0.012 m ³ /s), que se vienen manteniendo desde 1978, 1975 y 1982 respectivamente. Las captaciones de Les Comes y Cabrera pertenecen a Aigües de Rigat S.A, mientras que las de Can Bou pertenecen a Aigües de Artés S.A. Los datos han sido proporcionados por las propias empresas de suministro de agua potable. El principal objetivo de dichas captaciones es el abastecimiento público a la localidad de Igualada, externa al área considerada. Como el agua captada sale fuera de la zona, no se contabiliza en las estaciones de aforo utilizadas.

Resultados

a) Período 1-1-1961/ 31-12-1991 (serie de Sant Quintí de Mediona)

En la Tabla 2 se resumen los resultados obtenidos indicando la evapotranspiración potencial (ETP), evapotranspiración real (ETR), escorrentía superficial (ESCO), caudal de descarga subterráneo (QAC), caudal total en arroyos (QAR = QAC + ESCO) y recarga (QPER); además se dan los valores de contribución de cada zona en porcentaje sobre el total. Con la finalidad de considerar el agua interceptada por la vegetación en la Zona 1+2 (acuífero con bosque y monte bajo) se ha restado 2,5 mm a cada evento de lluvia igual o superior a 2,5 mm.

Tabla 2.- Resumen de los valores promedios anuales de las principales variables elaboradas teniendo en cuenta el agua interceptada en la Zona 1+2. ETP = evapotranspiración potencial, ETR= evapotranspiración real, ESCO= escorrentía superficial, QAC=descarga subterránea,QAR= descarga a los arroyos, QPER= recarga al acuífero; PRE= precipitación;T=total (suma de las áreas).

En la Figura 3 se presenta el ajuste obtenido para el caudal de salida real del sistema (QSRT) durante el periodo 1-1-71 al 31-12-88.

b) Periodo 1-7-1983/ 31-8-1988

Durante este periodo coexisten datos diarios de precipitación correspondientes a Sant Quintí de Mediona (0180) y Ayto. de Igualada (0171C). Este hecho ha permitido comparar ambas estaciones por dobles masas, obteniendo un factor de pendiente de 0.746. El conocimiento de esta relación ha permitido realizar tres simulaciones distintas correspondientes a: Sant Quintí de Mediona, Ayto. de Igualada y Ayto. Igualada ficticia. Esta última serie se ha obtenido a partir de la del Ayto. de Igualada aplicando el factor anteriormente comentado. La comparación de los resultados correspondientes a las tres series comentadas, obtenidas con los mismos parámetros, pone de manifiesto que, en general, para la serie de Sant Quintí de Mediona se aporta un exceso de agua en comparación con la salida total real del sistema, mientras que para la serie Ayto. de Igualada existe un déficit de agua.

Los mejores ajustes obtenidos corresponden a la serie Ayto. de Igualada ficticia. Este hecho parece indicar que la distribución de la precipitación en la Unidad Anoia es similar a la de Igualada, si bien, la lluvia media correspondiente a la zona de estudio es algo superior a la recogida en Igualada.

Este método tiene como principal limitación la necesidad de utilizar valores medios tanto del agua de lluvia (cantidad y concentración) como del agua de recarga y escorrentía, proporcionando tan sólo una estimación del valor medio multianual de la recarga. Un balance de cloruros multianual en estado estacionario, sin acumulación de sales en el suelo y en la vegetación, suponiendo que el aporte de cloruros tomados del suelo o aportados artificialmente es nulo y que la retención de cloruros por parte de la vegetación es igual a la liberación de los mismos al morir dicha vegetación, viene dado por la expresión (Custodio, 1997b; Iglesias et. al, 1997):

donde:

R = recarga media (mm/año)

P = precipitación media (mm/año)

Es = escorrentía superficial media (mm/año)

Cp = contenido medio en Cl - en el agua de lluvia (mg L ^-1 )

CR = contenido medio en Cl - en el agua de recarga (mg L ^-1 )

Ce = contenido medio en Cl - en el agua de escorrentía superficial (mg L ^-1 )

En la Unidad Anoia se ha establecido un balance de cloruros entre el agua de lluvia y los principales puntos de muestreo: Santa Candia, Molí Major, Sondeo S4, Lago de Capellades, Les Deus y Cal Tort (Figura 1). Considerando la escorrentía superficial calculada mediante la aplicación de BALDOS10 se obtienen los resultados presentados en la Tabla 3. Con respecto al contenido medio en cloruro de la escorrentía superficial (Ce) se han establecido dos posibles hipótesis de carácter extremo, acordes con lo que se conoce en la zona: I) valor igual al doble de la concentración en cloruro de la lluvia, y II) valor coincidente con el contenido medio en cloruro de los manantiales.

En base a estos resultados y considerando que la hipótesis II es pesimista y que los datos de Cal Tort tienen influencia antrópica, se puede concluir que la recarga media en la Unidad Anoia se encuentra comprendida entre el 15 y el 22% de la precipitación media anual. Estos resultados son coherentes con los valores del 20-25% resultantes de aplicar el modelo numérico de balance de agua en el suelo BALDOS10 (Tore et. al,1996), si bien éstos son algo superiores. La diferencia está dentro del margen de error esperable.

Tabla 3.- Rango de valores de recarga obtenido para los principales manantiales considerando las dos hipótesis extremas adoptadas (I y II). CR, CP y Ce= contenido medio en Cl - en el agua de recarga, lluvia y escorrentía superficial respectivamente; P= precipitación media anual; Es= escorrentía media superficial; R= recarga media. Concentraciones en meq/L y flujos en mm/año, salvo para R....

El modelo BALDOS10 puede utilizarse para la caracterización de la recarga en un acuífero de características complejas como la Unidad Anoia. El proceso de división del área de estudio en zonas permite caracterizar la modalidad de la contribución a la recarga total para cada una de dichas zonas.

La recarga calculada mediante BALDOS10 representa el 20-25% de la precipitación media anual, observándose que aproximadamente el 50-60% de la recarga procede de la Zona 1+2 (acuífero con bosque y monte bajo) mientras que el 30-40% procede de la Zona 4 (acuitardo). La Zona 1+2 produce los picos de gran frecuencia y media intensidad del hidrograma de descarga total, o sea que representaría la componente rápida del flujo subterráneo global. La Zona 4 parece sin embargo representar la componente de base de este mismo flujo. La comparación de los resultados correspondientes al periodo 1983-88 para las series de precipitación: Sant Quintí de Mediona, Ayto.

de Igualada y Ayto. de Igualada ficticia, indica que la distribución de la precipitación en la Unidad Anoia es similar a la registrada en Igualada, si bien es algo superior. Los valores de recarga obtenidos mediante la aplicación del método químico (balance de cloruros) representan entre el 15-22% de la precipitación media anual. Estos resultados son razonablemente coherentes con los valores del 20-25% obtenidos mediante la aplicación del modelo numérico BALDOS10. Al observar el detalle de las simulaciones se puede ver que el modelo no es capaz de ajustar bien los tramos de recesión del hidrograma. Se explica porque dicho modelo usa un único coeficiente de agotamiento del acuífero cuando en realidad el sistema acuífero es más complejo, con al menos dos componentes con coeficientes de agotamiento diferentes. La mejora requiere modificar el programa introduciendo coeficientes adicionales a ajustar. No es seguro que la mejora que se puede producir sea realista.

El presente trabajo se inició en el ámbito del proyecto GRACE, financiado por el programa Environment de la UE (EC Framework III, Project EV-SV-CT94-0471) y dirigido, en su parte española, por el segundo autor. Se agradece la colaboración tanto de M.Manzano (Departamento de Ingeniería del Terreno, UPC) como de J.L Gomá, A. Bayó y A. Galofré (Junta d´Aigües de Catalunya). El primer autor ha sido titular de una beca de la Generalitat de Cataluña (CIRIT).

Custodio, E., et. al., 1973.- Estudio de los recursos de aguas subterráneas en la cuenca de la Riera del Carme y área de Capellades, alrededores de Igualada (Barcelona). Comisaría de Aguas del Pirineo Oriental y Servicio Geológico de Obras Públicas. Barcelona. 3 Vols: 1-625 (interno).

Custodio, E., 1997a.- Recarga a los acuíferos: aspectos sobre el proceso, la evaluación y la incertidumbre. La Evaluación de la Recarga a los Acuíferos en la Planificación Hidrológica. AIH–ITGE. Madrid: 19–39.

Custodio, E., 1997b.- Evaluación de la recarga por la lluvia mediante métodos ambientales químicos, isotópicos y térmicos. La Evaluación de la Recarga a los Acuíferos en la Planificación Hidrológica. AIH–ITGE, Madrid: 83–109.

Custodio, E., Bayó, A., 1983. - Nuevas contribuciones al reconocimiento geohidrológico del acuífero de Carme-Capellades-Sant Quintí (Barcelona). V Asamblea Nacional de Geodesía y Geofísica. Instituto Geográfico y Catastral, Madrid 4 (III): 1795-1816.

Iglesias, M.; Lambán, J.; Cardoso, G.; y Custodio, E., 1997.- El balance de cloruros como indicador de la recarga: ejemplos recientes. En: La evaluación de la Recarga a los Acuíferos en la Planificación Hidrológica. AIH-Grupo Español / ITGE: 357-366.

Lambán, J., 1997.- Estudio hidrogeológico del sistema acuífero de Carme-Capellades-La Llacuna-Sant Quintí de Mediona (Cordillera Prelitoral Catalana). Tesis de Maestría en Hidrología Subterránea. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Universidad Politécnica de Cataluña. Barcelona: 1-120.

Samper, J., 1997.- Métodos de evaluación de la recarga por la lluvia por balance de agua: utilización, calibración y errores. La Evaluación de la Recarga a los Acuíferos en la Planificación Hidrológica. AIH–ITGE. Madrid: 41–81.

Samper, J., García Vera, M.A., 1992.- Programa BALAN. Versión 8.0. Manual del Usuario. Departamento de Ingeniería del Terreno. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona. Universidad Politécnica de Cataluña. (interno).

Tore, C.S., Custodio, E., Manzano, M., 1996.- Caracterización de la recarga en acuíferos kársticos. Aplicación del modelo BALAN_10 en su versión modificada (BALDOS10) a la Unidad Anoia. Groundwater Resources and Climate Change Effects (GRACE). UPC: 1-30 (interno).