Silvia Martínez; Antonio Sastre; Alberto Martialay.

Departamento de Geología. Universidad de Alcalá.

It is presented the hidrogeologic simulation model proposed for the alluvial aquifer of the Valle de Lerma (Salta, Argentina). The modelization has been carried out with the MODFLOW code, obtaining a good fitting that agrees the low differences between the levels monitored and those given by the model, and consequently, by the low global middle error achieved. In the same way, the model isopiestic lines map have an acceptable superposition with those made from measured data, having groundwater a marked west-east and west-southeast course.

In the same way, the model shows the remarkable influent character of rivers that go through the valley, being these the main recharge source of the aquifer. The second input water source of the system is the effective rainfall, that in the working area has been esteemed in more than a quarter of the total rainfall.

Se presenta el modelo de simulación hidrogeológica propuesto para el acuífero aluvial del Valle de Lerma (Salta, Argentina). La modelización se ha efectuado mediante el código MODFLOW, consiguiéndose un buen ajuste que concuerda con las escasas diferencias obtenidas entre los niveles medidos en campo y los proporcionados por el modelo y, consecuentemente, por el bajo error medio global obtenido. Del mismo modo, las isopiezas generadas por el modelo presentan una aceptable superposición con las realizadas a partir de los datos de campo, pudiéndose observar una marcada dirección oeste-este y oeste-sudeste del flujo subterráneo.

Asimismo, el modelo que se presenta pone de manifiesto el notable carácter influente de los ríos que disectan el valle, convirtíendose éstos en la principal fuente de recarga del acuífero.

La segunda fuente de entrada de agua al sistema es la lluvia útil, que en la zona de estudio se ha estimado en más de una cuarta parte de la precipitación total recibida.

El Valle de Lerma (Salta; Argentina) configura una unidad geomorfológica e hidrogeológica bien definida, ubicada en la unidad morfoestructural de Cordillera Oriental, con una altura media de 1200 m.s.n.m.(Figura 1), siendo su superficie total de aproximadamente 1000 Km ² . Si bien presenta rasgos topográficos de llanura, ésta tiene una pendiente regional hacia el sureste, donde se pueden observar algunos accidentes topográficos importantes que quiebran el paisaje llano, como es el caso del Cerro San Miguel.

Desde el punto de vista geológico el valle corresponde a una depresión tectónica colmatada por sedimentos terrígenos provenientes de la erosión de los marcos montañosos circundantes, principalmente del borde occidental que conforma los contrafuertes de la altiplanicie conocida como Puna. Hasta el momento se dispone de información parcial y no confiable sobre los espesores de los sedimentos que rellenan la depresión, dado que la mayoría de las perforaciones realizadas no superan los 200 metros de profundidad, pero se estima que en algunos sectores superaría los 400 metros. En los bordes se ha alcanzado el basamento, que puede corresponder a formaciones del paleozoico y/o precámbrico.

La recarga del sistema acuífero subterráneo existente en la cobertera sedimentaria descrita se realiza aparentemente a través de los cauces que integran la red hidrográfica de la región, dado el comportamiento de los mismos como cursos influentes o perdedores de caudal.

La descarga natural del sistema se produce en los extremos distales de los conos de deyección aluviales, hacia el este y también hacia el sur, dando lugar a manifestaciones de vertientes, bañados y manantiales, acompañados por sectores con eflorescencias salinas en los suelos (salgüeros); tras la intervención humana, mediante la perforación de pozos de agua, tales zonas de descarga quedan caracterizadas por el carácter surgente de aquellos pozos.

Las aguas subterráneas del acuífero del valle de Lerma abastecen al 70% de la población que soporta esta unidad territorial -más de 400.000 habitantes- y, aunque en la actualidad es ésta la principal fuente de explotación del mismo, nada obsta para que su utilización crezca en el futuro con el fin de suplementar dotaciones de riego. Las reservas, aunque no bien cuantificadas hasta el presente, son importantes; considerando tan solo una lámina de acuífero de 100 metros de espesor y una porosidad de 0.15, cabría estimar un volumen de reserva no inferior a 15 Km ³ de agua embalsada. Por otro lado, no se ha descrito hasta la fecha la entidad del recurso anual renovable vinculado al ciclo hidrológico imperante en el área de estudio.

El trabajo que a continuación se presenta, describe el modelo preliminar de simulación de flujo propuesto para el acuífero del Valle de Lerma. Este tabajo, se engloba dentro del proyecto "Evaluación de la disponibilidad de agua subterránea y simulación preliminar del funcionamiento hidrogeológico del acuífero del Valle de Lerma (Provincia de Salta)", financiado por el Fondo Mixto de Cooperación Hispano-Argentina en el marco de la convocatoria de 1996. Dicho proyecto pretendía analizar el funcionamiento hidrogeológico del acuífero del Valle de Lerma y cuantificar objetivamente los recursos hídricos disponibles, incluyendo una previsión del comportamiento futuro de dicho acuífero.

La aplicación de un modelo matemático de simulación de flujo al Valle de Lerma tiene por objeto reproducir la estructura geohidrológica imperante actualmente en dicho Valle, en el sector comprendido entre el río Vaqueros -al norte- y la confluencia de los ríos Rosario y Arenales -al sur-. Dicho objetivo se ha conseguido tomando como punto de partida el mayor número posible de datos geológicos, geohidrológicos, hidrológicos, topográficos y meteorológicos cuya procedencia ha sido diversa: algunos de los datos de partida han sido obtenidos directamente en campo; otros proceden de fuentes bibliográficas consultadas (Moya,1995; A.G.A.S., 1995).

Una vez calibrado el modelo de flujo, es decir conseguido el objetivo básico pretendido, se puede proceder a analizar la situación que se produciría en el Valle de Lerma bajo diversos supuestos de simulación, como pueden ser bombeos, avenidas, movimiento de contaminantes en el seno del acuífero, entre otros.

Los factores condicionantes de mayor relevancia para el desarrollo de este modelo han sido la superficie del Valle de Lerma, ya que condiciona las dimensiones de las celdas que componen la malla del modelo, lo que ha permitido representar con un margen de error aceptable las condiciones globales de flujo imperantes en la zona, sin ser posible llegar a conclusiones de detalle en subsectores reducidos de la misma y la falta de datos suficientes en una sola campaña de medida junto a la no sistematización de los datos existentes. Esto ha imposibilitado a la hora de plantear el modelo conceptual tomar como punto de referencia los procedentes de una misma fuente de información.

Por otro lado, la imposibilidad de disponer de datos de ensayos de bombeo actuales o pretéritos. Ello ha hecho necesario estimar algunos parámetros hidráulicos de relevancia como la conductividad hidráulica, la porosidad y el coeficiente de almacenamiento, en unos casos mediante la aplicación de fórmulas empíricas y, en otros, utilizando los referidos en la bibliografía.

En lo que se refiere a los datos climáticos, sólo han podido ser utilizados los correspondientes a tres estaciones meteorológicas Arias et al, 1996), siendo este número escaso si se tiene en cuenta la superficie que abarca el área objeto de estudio. Tampoco se dispone de un número suficiente de estaciones de aforo en los ríos que discurren por el Valle de Lerma. En algunas zonas ha sido necesario estimar los caudales circulantes. La Tabla 1 muestra los datos de aforo de que se dispone. Finalmente, el mapa topográfico de base, a escala 1:50.000, no permite asignar cotas a la superficie del terreno con exactitud y, en consecuencia, el mismo error se comete al asignar cota a los puntos de medida de niveles del acuífero y a la lámina de agua en los ríos.

Fuente: Agua y energía de la Nación, 1983; Secretaría de Energía, 1994.

Tomando como base los datos obtenidos en campo y los procedentes del informe "Hidrogeología del Área de Riego del Río Toro -Provincia de Salta-" (1995), se ha elaborado el inventario de puntos de agua, cuya localización gráfica se muestra en la figura 2. Llama la atención la irregular distribución de los puntos de observación en el área de estudio, con gran concentración de ellos en la ciudad de Salta y zonas aledañas y escaso -o en ocasiones nulo-número de puntos inventariados al oeste y sur del área considerada. Ello dificulta en gran manera el trazado de la red de flujo en estas zonas desprovistas de puntos de referencia, por lo que se ha optado por el trazado de la misma sólo hasta donde se poseen datos que lo permitan.

A partir de los niveles piezométricos medidos en dichos puntos se ha elaborado el mapa de isopiezas que aparece en la figura 3. La profundidad de la lámina de agua en los pozos medida desde la superficie del terreno varía entre más de 150 m al oeste y la presencia de pozos surgentes en la zona de la Isla (al este), en las proximidades del río Arenales. Así, el nivelpiezométrico se sitúa en el área de estudio a cotas comprendidas entre algo menos de 1100 y más de 1400 m.s.n.m. Se puede apreciar que, en líneas generales, el flujo sigue una marcada dirección oeste-este, con gradientes de potencial que van desde 2 x 10 ^-2 - en la región norte y centro-occidental del área de estudio- hasta 3 x 10 ^-3 -en la región oriental y sur-.

La práctica totalidad de los ríos presentan un marcado grado de influencia en el acuífero, siendo este carácter más acusado en las zonas de cabecera del valle (ríos Toro y Arenales, al oeste; ríos Vaqueros, San Lorenzo y Arias, al norte). Por el contrario, al sur del área de estudio la situación se invierte, convirtiéndose los ríos Arenales y Rosario en ganadores.

El modelo conceptual se ha diseñado considerando un único acuífero libre, isótropo y heterogéneo. Como fuente única de recarga en superficie se ha considerado la lluvia útil (diferencia entre precipitación y evapotranspiración)

El modelo de flujo ha sido construido utilizando el código de simulación MODFLOW (Mc. Donald, M.G. y Harbaugh, A.W., 1988), modelo tridimensional en diferencias finitas y en bloque centrado. La discretización de los aproximadamente 860 Km ² de superficie objeto de estudio se ha efectuado mediante la superposición de una malla uniforme y rectangular de 46 filas, 31 columnas y 1 capa (figura 2). Cada celda posee una superficie de 1 Km ² (1000 m x 1000 m), siendo su espesor variable en función de la profundidad estimada del muro del acuífero en cada punto.

Para la simulación se ha dividido el año en dos periodos (periodos de estres), correspondientes el primero (noviembre-abril) a los meses lluviosos y de temperaturas más elevadas -coincidentes a su vez con el periodo de máximos caudales en los ríos- y, el segundo (mayo octubre), a los meses secos y fríos -coincidentes con el periodo de estiaje-.

Las 1426 celdas que componen el modelo, se distribuyen en los siguientes tipos:

Celdas inactivas. Son un total de 552 celdas situadas al noroeste y suroeste del área modelizada, así como 15 celdas situadas en la zona de "Cerrillos", coincidiendo con el afloramiento de materiales impermeables.

Celdas activas. Son un total de 859 celdas, cuyo potencial es variable. En ellas, el nivel piezométrico inicial se ha asignado a partir del mapa de isopiezas construido "ad hoc" (figura 3).

Dicho mapa de isopiezas ha sido confeccionado tomando como base los niveles piezométricos medidos en campo y/o los obtenidos de la bibliografía (Moya, 1995).

Celdas de río. Son las celdas por las que discurren los ríos que atraviesan el Valle de Lerma. Están definidas por todos los parámetros propios de las celdas de acuífero y, además, por los parámetros específicos del río.

Condiciones de borde.

El área simulada está acotada al norte por la margen izquierda del río Vaqueros, siendo las celdas que componen dicho límite de acuífero y, por tanto, de potencial variable en le tiempo.

Conceptualmente se considera como una zona de recarga del área de estudio. El borde sur está constituido por cuatro celdas de acuífero, tres de las cuales ostentan también la condición de celdas de río. Estas celdas se localizan en la confluencia de los ríos Rosario y Arenales, considerándose la misma un buen punto de cierre del modelo por el angostamiento del valle que se produce en este punto. Conceptualmente se ha considerado como un borde de descarga de la zona de estudio.

Los bordes oriental y occidental se han situado en el contacto entre el acuífero aluvial y los materiales impermeables ya sean terciarios u ordovícicos (Ruiz, 1968; Vilela, 1956). Están constituidos, por tanto, por celdas de no-flujo, excepto dos celdas activas localizadas a la entrada del río Toro en el valle (borde occidental) y otras trece celdas de acuífero en el borde oriental. La base del acuífero ha sido estimada a partir de las columnas litológicas existentes en los pozos inventariados, así como de los datos de espesor referidos en la bibliografía (A.G.A.S., 1995). El contacto entre el acuífero detrítico y los materiales impermeables subyacentes han sido considerados en este modelo como base del mismo. Se asume de este modo que no existen flujos ascendentes ni descendentes entre ambas formaciones.

Los parámetros hidráulicos del acuífero se han obtenido a partir de los datos de caudales específicos registrados en diversos pozos repartidos por el Valle de Lerma (A.G.A.S., 1995; Moya, 1995) en el caso de la conductividad hidráulica; en cuanto al coeficiente de almacenamiento y a la porosidad, se ha tomando como valor el referenciado en la bibliografía para materiales de similar naturaleza a los de éste (Custodio et al, 1983; Freeze et al, 1979; Tood, 1980).

La conductividad hidráulica se ha obtenido a partir del valor de transmisividad y del espesor saturado estimado. La transmisividad en cada punto se ha estimado mediante la ecuación (Davis et al, 1971):

Donde: K es la conductividad hidráulica en m/día, T la transmisividad en m ² /día, z el espesor saturado en m, Q el caudal en m ³ /día y s el descenso durante el bombeo en m. Los valores de conductividad hidráulica estimados de este modo están comprendidos entre 0.2 y 5 m/día.

Asimismo, se ha tomado un valor uniforme de porosidad (0.15) y de coeficiente de almacenamiento (0.05 m ^-1 ). La cota del nivel piezométrico se ha deducido en cada celda por extrapolación a partir del mapa de isopiezas (figura 3). La cota del techo del acuífero se corresponde con la cota de la superficie topográfica y ha sido deducida a partir del mapa topográfico a escala 1:50.000. La cota del muro del acuífero se ha deducido restando el espesor estimado del paquete aluvial al valor de cota topográfica considerado en cada celda.

En las celdas de río, además de los parámetros propios de las celdas de acuífero -asignados como se ha descrito anteriormente-, se han asignado los parámetros hidráulicos correspondientes a los ríos, todos variables en función de la celda considerada. Los ríos Vaqueros, San Lorenzo, Arias, Arenales, Ancho, Toro y Rosario se han simulado mediante el paquete de río, que permite evaluar la relación acuífero-río en el área modelizada, requiriendo para ello introducir la conductancia hidráulica del lecho del río, el potencial de la lámina de agua y la cota del muro de la capa de limos del lecho del río. Para cada celda de río se han asignado los siguientes valores de entrada:

Conductancia hidráulica del lecho del río (C). Es función de la conductividad hidráulica del paquete de limos que componen el lecho del río (K), de la anchura del río en cada celda (W), de la longitud del río en cada celda (L) y del espesor de la capa de limos (M). La conductancia hidráulica, por tanto, es variable en cada celda y se calcula mediante la ecuación C = K L W / M (Mc. Donald et al, 1988)

Por su parte, el potencial de la lámina de agua (Hr) es variable en cada celda, y se ha calculado tomando como dato de referencia la cota topográfica del terreno.

La cota del muro de la capa de limos (BOT) se calcula como la diferencia del potencial de la lámina de agua y el espesor estimado del agua y del paquete de limos en cada celda de río.

Ante la falta de medidas de campo para este último término, se ha calculado el valor del BOT como: BOT = Hr - 3 m (noviembre-abril) y BOT = Hr - 2 m (mayo-octubre).

En función de los datos de entrada asignados a cada celda, MODFLOW calcula el caudal de intercambio acuífero-río, mediante la ecuación Q = C (Hr - Ha); siendo Ha el potencial del agua subterránea en cada celda de río.

La única fuente de recarga considerada ha sido la lluvia útil, estimada en el 25% y el 35% (periodos de estrés 1 y 2, respectivamente) del valor medio de las precipitaciones medias registradas en las estaciones meteorológicas de "El Carril", "Las Costas" y "Coronel Moldes" (Arias et al. 1996). La lluvia útil así calculada se ha cifrado en un valor común para todas las celdas activas de 70 mm para el período de invierno y de 170 mm para el período de verano. No se poseen datos precisos de los volúmenes de riego empleados ni de la distribución del regadío en el valle, por lo que la recarga por retorno de riego no ha sido considerada a efectos de modelización. Asimismo, la evapotranspiración a partir del acuífero se ha considerado nula, toda vez que el nivel piezométrico en la práctica totalidad de los puntos de medida se encuentra más de dos metros por debajo de la superficie topográfica.

La calibración del modelo se ha efectuado en régimen transitorio y utilizando como datos de entrada los señalados en el epígrafe anterior. Se han considerado dos períodos de estrés al año, cada uno de 182 días de duración, correspondientes a las estaciones lluviosas (meses de mayo a octubre) y seca (meses de septiembre a abril). Durante el proceso de calibración los únicos parámetros reajustados han sido la conductividad hidráulica del acuífero -dado que se tenían valores dispares de transmisividad en puntos relativamente próximos- y los parámetros hidráulicos de los ríos.

El modelo se ha considerado calibrado cuando la diferencia entre los valores estimados a partir de los datos de campo y los calculados ha sido inferior o igual a 10 metros en las celdas de referencia (se han seleccionado 43 celdas de referencia, distribuidas en toda la zona modelizada) que se muestran en la figura 2 y cuando el error medio global ha sido inferior a 5metros. Este margen de error se ha considerado aceptable, teniendo en cuenta las dimensiones de las celdas, la diferencia entre los valores de potencial máximo y mínimo encontrados en campo en el área modelizada (unos 450 metros) y los factores limitantes que se han hecho constar anteriormente.

Por otro lado, el error medio se ha calculado mediante la ecuación:

La figura 3 muestra la superposición de las isopiezas calculadas por el modelo y las trazadas a partir de los datos de campo, observándose una notable similitud entre ambas, dándose por calibrado el modelo.

La relación hidrodinámica que guardan los ríos y el acuífero se evalúa mediante el análisis del intercambio de agua -balance acuífero-río- en cada celda del trayecto que describen aquéllos dentro del área simulada. Calculando mediante la Ley de Darcy el caudal de intercambio en cada una de las celdas de río, el modelo llega al resultado global siguiente:

- Caudal que ceden los ríos al acuífero: 4.2 x 10 ⁶ m ³ /día.

- Caudal que cede el acuífero a los ríos: 2.0 x 10 ⁶ m ³ /día.

- Balance (entradas al acuífero - salidas): 2.2 x 10 ⁶ m ³ /día.

Por tanto, globalmente, los ríos en su paso por el Valle de Lerma se comportan como influentes, cediendo aproximadamente el doble de agua al acuífero que la que ganan del mismo.

Se ha calculado asimismo el balance entre cada uno de los ríos que atraviesan el valle y el acuífero a partir de los datos de intercambio proporcionados por el modelo; la Tabla 2 muestra los resultados en m ³ /día obtenidos en este análisis. Nótese que todos los ríos -excepción hecha del Rosario, que merced a su balance se podría considerar globalmente como prácticamente indiferente- son netamente perdedores. El río Rosario, por su parte, presenta dos zonas bien diferenciadas: durante los primeros kilómetros de su trayectoria por el valle es netamente perdedor, pasando en los últimos a ser claramente ganador. La relación entre los ríos y el acuífero se puede observar de forma cualitativa en el mapa de isopiezas (figura 3).

La simulación de flujo en medios porosos requiere satisfacer la ecuación de continuidad, es decir, el modelo de simulación debe satisfacer un balance de masa global para el sistema acuífero simulado, de modo que la suma de las entradas de agua al sistema debe ser igual a la suma de las salidas de agua del mismo mas el incremento (positivo o negativo) del agua almacenada en el acuífero. Como fuentes de entrada en este caso, se tiene la precipitación y el trasvase de agua desde los ríos al acuífero. Las salidas del sistema se producen solamente por el trasvase de agua del acuífero al río. El margen de error -discrepancia entradas/salidas- que se ha considerado aceptable es del 10%, siendo los resultados del balance global proporcionados por el modelo los que aparecen en la Tabla 3.

Se ha efectuado la modelización hidrogeológica del acuífero del valle de Lerma mediante el código MODFLOW. Factores tales como las dimensiones de la zona a modelizar, la naturaleza de los datos de partida, la falta de registros hidráulicos precisos y la escasez de datos climáticos y foronómicos han condicionado los resultados obtenidos, lográndose no obstante una buena representación del sistema de flujo actual.

Se ha conseguido un buen ajuste en la modelización, que se pone de manifiesto por las pequeñas diferencias de nivel existentes entre los valores medidos en campo y los proporcionados por el modelo y, consecuentemente, por el bajo valor del error medio global. La comparación del mapa de isopiezas confeccionado a partir de los datos de campo y el proporcionado por el modelo, muestran de forma gráfica el notable ajuste obtenido.

De forma global, los ríos a su paso por el Valle de Lerma se comportan como influentes, cediendo al acuífero aproximadamente el doble de agua de la que reciben del mismo. Esta tendencia influente global se rompe en el caso del río Rosario, que se comporta como indiferente en términos absolutos, aunque presentando dos tramos bien diferenciados, uno influente (primeros kilómetros de su trayectoria por el Valle) y otro netamente efluente (últimos kilómetros de la misma).

El balance global del modelo proporciona unos valores de intercambio en el acuífero de aproximadamente cuatro millones y medio de metros cúbicos diarios, obteniéndose una discrepancia de tan solo el 0.1% entre los valores de entrada y salida de agua al sistema. Este bajo valor de discrepancia está asociado a un buen grado de convergencia de la solución.

Este trabajo se engloba dentro del proyecto "Evaluación de la disponibilidad de aguas subterráneas y simulación preliminar del funcionamiento hidrogeológico del acuífero del Valle de Lerma (Provincia de Salta)", subvencionado por el Fondo Mixto de Cooperación Hispano-Argentina (ref. FM/011 de 1996), y ha sido realizado en colaboración con la Dirección Provincial de Medio Ambiente y Recursos Naturales; Secretaría de la Producción. Gobierno de Salta.

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