D´ELIA, Mónica (1) , Ofelia TUJCHNEIDER (1-2) , Marta PARIS (1) y Marcela PEREZ (1)

(1) Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas - Universidad Nacional del Litoral

(2) Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

The input function estimation is one of the most important problems in the analysis of the groundwater systems.

Usually, with a simplified expression that depends on the available information, a water budget in the aquifer is stated.

The purpose of this paper is to present the results of the input function estimation in a plain groundwater system in which the vertical water movement prevails over the horizontal and the existing information is insufficient.

Uno de los grandes problemas que se presentan en el análisis del funcionamiento de los sistemas de aguas subterráneas es la estimación de la función de entrada.

Normalmente se plantea la realización de un balance de agua en una capa acuífera con una expresión más o menos simplificada cuya cuantificación depende concretamente de la información existente.

Este trabajo tiene por objeto presentar los resultados obtenidos de la estimación de la función de entrada, en un sistema hidrogeológico de llanura, donde prevalece el flujo vertical respecto del horizontal, y en el cual la información existente es insuficiente.

Uno de los grandes problemas en el análisis del funcionamiento de los sistemas de aguas subterráneas es lograr una aproximación en la cuantificación de la función de entrada. Esto es aún más incierto si se trabaja con información básica deficiente.

Es usual utilizar metodologías empíricas para complementar la ausencia de datos medidos u obtenidos en el lugar de estudio.

Normalmente se plantea la realización de un balance de agua en una capa acuífera con una expresión más o menos simplificada de acuerdo a las posibilidades concretas que brinda la información existente la cual, en la mayoría de los casos, dista mucho de ser la deseable.

En este caso se presenta la resolución de la estimación de la cantidad de agua posiblemente disponible para alimentar el sistema de agua subterránea en la zona que cubre la Hoja IGM 3360-26 Santa Teresa a escala 1:50.000 (Figura 1).

En el área de estudio, hidrogeológicamente se presenta un sistema de llanura en el cual los flujos verticales tienen predominancia respecto de los horizontales.

Para esta situación, el balance hídrico se plantea a partir de un volumen de control donde las entradas y salidas horizontales se compensarían (Figura 2).

El área de estudio se enmarca en el ambiente fisiográfico de La Pampa Ondulada caracterizada por un relieve ondulado, en partes disectado por cañadas, arroyos y ríos. En el área de la Hoja Santa Teresa, el paisaje es suavemente ondulado, con lomadas chatas que actúan como divisorias de las aguas superficiales y del flujo subsuperficial; entre estas lomadas y los planos bajos que constituyen las llanuras de inundación, media una superficie inclinada de suaves pendientes (PROINSA, 1997).

La información básica utilizada corresponde a las siguientes estaciones: Casilda (Servicio Meteorológico Nacional - S.M.N.), período 1941-1960, para los parámetros: precipitación media mensual, humedad relativa, presión atmosférica, velocidad y dirección del viento medios mensuales y, 1901-1988, solamente para precipitación mensual; Rosario (S.M.N.), período 1941- 1980, para todos los parámetros y 1887-1993, solamente para precipitación mensual; Pergamino (S.M.N.), período 1941-1980, para todos los parámetros; Pergamino (Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria - INTA), período 1898-1993, precipitación mensual y temperatura media mensual; Zavalla (S.M.N.), período 1973-1980, todos los parámetros; Zavalla (Universidad Nacional de Rosario - U.N.R.), período 1973-1993, profundidad del nivel freático medio mensual; Francisco Paz (Particular), período 1927-1996, precipitación mensual.

Para caracterizar el comportamiento de la variable precipitación se aplicaron distintos procedimientos metodológicos: cálculo de los estadísticos descriptivos (media, desvío standard, valores máximos y mínimos, asimetría y curtosis) de las series de precipitaciones anuales y mensuales; análisis de correlación entre las series de precipitaciones anuales del período 1973- 1988 y entre las series de precipitaciones mensuales en el período 1973-1993. Asimismo se realizó el análisis de tendencia del valor medio anual utilizando medias móviles.

La evapotranspiración potencial (ETP) fue estimada según la metodología propuesta por Penman, utilizando la fórmula semiempírica. También se empleó el código CROPWAT (FAO, 1987) y se realizó el ajuste de los valores resultantes con los coeficientes de transformación mensual especificados para cobertura de gramíneas. Se aplicó además el criterio de Thornthwaite (Custodio y Llamas, 1983; González, N. et al, 1997).

Se trabajó con la Carta de Suelos de la República Argentina, Hoja 3360-26 Santa Teresa (INTA, 1974) para diferenciar las distintas unidades, asociaciones y tipos de suelo.

La distribución mensual de los excesos y déficit hídricos se realizó mediante el planteo y cálculo del balance hídrico (modular y seriado).

A fin de identificar la relación entre la profundidad del nivel freático y las variables hidrológicas involucradas en el balance hídrico, se realizaron distintos contrastes entre las variables.

Para la estimación del escurrimiento superficial se incorporó la metodología del U.S. Bureau of Reclamation (Bureau of Reclamation, 1967) conocida como Curva Número (CN), que toma en cuenta características, uso de los suelos y pendiente de los terrenos. Este método, desarrollado para estimar volúmenes de escurrimiento en tormentas de diseño en cuencas agrícolas pequeñas, fue posteriormente adaptado a cuencas urbanas. Autores como Hjelmeft (1991), han revisado y completado esta metodología.

Las precipitaciones medias mensuales, en toda el área, presentan valores superiores a 80mm entre los meses de octubre a abril. Los meses de julio y agosto contabilizan valores de aproximadamente 40mm, registrándose el máximo en el mes de marzo.

El análisis de las temperaturas muestra que los mayores valores medios mensuales se registran entre los meses de noviembre a marzo, superando los 20ºC, con un máximo en el mes de enero de 24ºC. Los mínimos se han presentado en los meses de junio-julio, y oscilan entre 9 y 10ºC.

En este caso, la humedad relativa alcanza sus valores máximos de abril a julio (80%) y los menores (60%) de noviembre a enero.

Los mayores porcentajes de heliofanía relativa se presentan en los meses de verano (70%). De septiembre a abril superan el 55%.

Los máximos valores de velocidad de viento se consignan de septiembre a octubre (más de 14km/h), y los menores se registran en el mes de abril. La dirección predominante corresponde al cuadrante NE.

La Tabla 1 contiene los resultados del análisis estadístico univariado de las series de precipitación anual.

En la Figura 3 se han graficado los valores de precipitación anual en función del tiempo, para todas las estaciones involucradas.

El promedio anual de ETP estimado por el método de Thornthwaite es de 824mm, mientras que por el método de Penman es de 911mm. El valor obtenido mediante la utilización del programa CROPWAT y su posterior corrección fue de 1074mm.

Con el propósito de obtener los valores del almacenamiento mínimo y máximo necesarios para el cálculo del balance, se realizó un análisis de las unidades edáficas. Los suelos que predominan en la zona de trabajo corresponden a la Series Peyrano y Ramallo. Se trata de argiudoles de tipo vérticos, generalizados en las lomadas planas y extendidas con relieve normal y drenaje moderado. También se encuentran en áreas transicionales entre lomadas y depresiones.

Las depresiones propiamente dichas los presentan asociados con natracualfs típicos.

En función de ello se determinaron los siguientes parámetros edáficos:

Capacidad de campo = 28,5 % de humedad = 98,5mm

Marchitez permanente = 17 % de humedad = 58,7mm

Densidad aparente = 1,35

Profundidad radicular = 25,6cm.

La Tabla 3 resume los resultados del Balance Hídrico Medio. El valor de ETP adoptado para el cálculo fue el obtenido por el método de Thornthwaite.

En la Figura 4 se observa la variación de Excesos y Déficit obtenidos del Balance Hídrico Seriado.

La Figura 5 muestra los resultados obtenidos del contraste entre los desvíos acumulados de las precipitaciones respecto de la precipitación media mensual para cada mes (P- Pm) y las profundidades del nivel freático medio mensual (PNF) de la estación Zavalla para el período 1973- 1993.

La Tabla 4 sintetiza los tipos de suelo, su clasificación, valores de pendiente, uso, porcentaje de área ocupada y CN, para la condición hidrológica promedio (Condición II).

Uso de la tierra:

A : Actividad agrícola, vinculada a unidades de lomas. Cultivo de maiz, trigo, soja, girasol, lenteja, arveja, sorgo granífero, lino y alpiste.

AP : Actividad agrícola ganadera, rotación con años de cultivo y pastoreo. Ejemplo: seis a ocho años de maíz y cuatro o cinco años de cosecha fina o girasol; luego se hace pastoreo (alfalfa)

PA: Rotaciones menos amplias; pradera de alfalfa, trebol, etc.

P: Ganadería extensiva

(1) Corresponde a suelos naturales bajos, inundables, con escasa capacidad de infiltración; pradera pobre con pendiente <3%.

En la zona de estudio, se presentan en forma cíclica períodos de déficit hídrico de duración considerable, algunos de más de tres meses. Estos episodios definirían situaciones de compromiso en la evaluación de la aportación natural al sistema acuífero. Teniendo en cuenta esto se realiza también el análisis con la condición de humedad antecedente más baja, es decir, suelos con bajo contenido de humedad: Condición I. Para esta condición hidrológica el valor resultante de CN ponderado en función del área es de 45.

De acuerdo a los datos hidrometeorológicos analizados para el período 1973-1993, se ha tomado un rango de precipitación máxima diaria comprendido entre 100 y 250mm registrados entre los meses de enero y abril. La Tabla 5 reúne los valores de escurrimiento superficial estimados con los CN ponderados para cada una de las condiciones hidrológicas mencionadas precedentemente.

Del análisis de las variables climáticas, las series de precipitaciones anuales y mensuales y los resultados de la correlación entre las estaciones de registro, se observa que casi todas ellas presentan un comportamiento similar, exceptuando Casilda. A partir de estos resultados y en función de la información disponible, se trabajó con los datos de la estación Zavalla para el planteo del balance hídrico medio y con los de la estación Rosario para el planteo del Balance Hídrico Seriado.

Comparando los valores de ETP obtenidos por los procedimientos de Thornthwaite y Penman se observó que los de este último método exceden aproximadamente un 10% a los del primero. En particular la utilización del programa CROPWAT arrojó valores superiores (alrededor de 24%) respecto del primer método mencionado, lo que se considera una estimación algo elevada. Para zonas húmedas como la de este estudio, el método de Thornthwaite proporciona resultados aceptables por lo que aquí se utilizan los valores obtenidos de su aplicación, en el cálculo de los balances hídricos medio y seriado.

Los registros de profundidad del nivel freático medio mensual fueron contrastados respecto de las variables: Precipitación, (P-ETP) acumulados, excesos y déficit acumulados, para las diferentes estaciones y períodos de medición. La evidencia de mayor relación se obtuvo con un r=0.86, que surge de la correlación entre los desvíos acumulados de las precipitaciones respecto de la media mensual para cada mes (estación Zavalla, período 1973-1993) versus la profundidad del nivel freático medio mensual. Resulta clara la existencia de una relación entre las variaciones de profundidad del nivel freático (acuífero) y las precipitaciones (aguas del ciclo exógeno). Esto se materializa con un retardo cuyo intervalo no es constante.

Los resultados del balance hídrico medio, indican un monto de excesos (196.5mm) que constituiría la cantidad de agua factible de escurrir y/o infiltrar.

Dado que el cálculo de la recarga se realizó sobre la base del balance hidrológico planteado para situaciones medias se adopta un rango para el coeficiente de escurrimiento máximo entre 0,14 y 0,20.

Los excesos ya tienen en cuenta el valor de almacenamiento de humedad del suelo, por lo que los valores mínimos de infiltración determinados representarían la entrada al sistema hídrico subterráneo (recarga en tránsito).

Se ha procedido a estimar estas últimas variables, tomando en cuenta la precipitación correspondiente a los meses donde se registran excesos hídricos (febrero a diciembre).

Por todo lo expuesto:

Precipitación anual total = 1020mm

Precipitación anual (meses de excesos) = 902 mm

Exceso anual = 195,6 mm/año, de los cuales:

Escurrimiento superficial anual = 136,7 mm/año Infiltración anual = 58,9 mm/año

El valor del escurrimiento superficial representaría aproximadamente el 15% de la precipitación anual y el valor de infiltración, el 6%.

CONCLUSIONES

El planteo de un balance hídrico en un sistema de aguas subterráneas de llanura, donde los flujos verticales predominan respecto de los horizontales, ha permitido obtener una primera aproximación en la estimación de la función de entrada al sistema.

Dado que para el área de estudio se cuenta con información de precipitaciones, temperaturas, suelos y variación de niveles freáticos, se han podido estimar algunas de las variables involucradas en el balance hídrico, utilizando distintas metodologías.

Para el cálculo de la ETP se utilizaron dos propuestas metodológicas diferentes: Penman y Thornthwaite. Los valores obtenidos mediante esta última resultan adecuados en función de la respuesta reflejada por los niveles freáticos ante el estímulo generado por las variables del ciclo exógeno.

La formulación del balance permitió inferir el monto de excesos hídricos, que incluye el escurrimiento superficial y la recarga en tránsito que es la que tiene posibilidades de alimentar al acuífero.

La información existente sobre las características edáficas del área de estudio permitió obtener una estimación razonablemente adecuada del escurrimiento superficial, a través de la aplicación del método de Curva Número.

Se logró así desagregar el valor del exceso de agua resultante del balance en sus componentes escurrimiento superficial y recarga en tránsito. El valor estimado de esta última se acepta como adecuado para las características de la zona.

Esto ha permitido inferir el orden de magnitud de la recarga potencial del sistema hidrogeológico.

AGRADECIMIENTOS

Los autores de este trabajo manifiestan su agradecimiento a la empresa PROINSA por la información suministrada para la realización de este trabajo.

BIBLIOGRAFIA

Food and Agriculture Organization- Land and Water Development Division (FAO), 1987. Manual for Cropwat, 47p.

Custodio, E. y M. R. Llamas, 1983. Hidrología Subterránea. Omega (Segunda Edición). Barcelona

González, N. et. al. Balance Hidrológico a Nivel de la Zona No-Saturada en un Area de la Cuenca de los Arroyos Martín y Carnaval. La Plata, Pcia. de Buenos Aires, Argentina, 1997.

Actas III Seminario Hispano-Argentino sobre Temas Actuales de Hidrología Subterránea. Bahía Blanca, pp. 97-106.

INTA, 1974. Carta de Suelos de la República Argentina. Hoja 3360-26 “Santa Teresa”, Provincia de Santa Fe.

U. S. D. I., Bureau of Reclamation, 1966. Diseño de Presas Pequeñas. Trad. Ed. Continental. México, pp Hjelmfelt, A., 1991. Investigation of Curve Number Procedure. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 117, pp. 725-735.

Proyectos de Ingeniería Sociedad Anónima (PROINSA), 1997. Estudio Hidrogeológico Complementario para el Abastecimiento de Agua Potable al Sur Santafesino.