Aplicación de la modelación matemática del flujo de agua subterránea a la Ingeniería Civil. Estudio del rebajamiento de niveles piezométricos en el Delta del Llobregat

Abstract

Mathematical modelling of large-scale groundwater resources using numerical models, it¿s a common practice in Hydrology from many years. However, the same cannot be said about applying these models to local-scale geotechnical problems, such as dewatering projects to make a civil work, for example a building. Dewatering is an engineering method that is executed to work safely in large digging depths. The target is to temporally locate the water level of an aquifer below the lowest level of the foundations to be able to work in dry conditions. For that purpose, the water is constantly extracted from the groundwater by different ways. The main alternatives are the wellpoint system and the conventional drainage wells. The chosen system is function of the specific land features and the work to be carried out, as well as the hydraulic conductivity of the aquifer, the start depth of the water table, the containment system of the excavation or the desired drawdown. In this Master s Thesis, the numerical groundwater flow modelling to a common civil engineering problem is applied: the requirement to maintain the piezometric levels below a specific height in order to execute dry a construction work. For that purpose, the MODFLOW code (McDonald y Harbaugh, 1984), a finite difference method which resolves the groundwater flux equation, and the Graphical User Interface ModelMuse (Winston, R. B., 2009) are used, both of them from the United States Geological Survey (USGS). The analyzed construction is located in Sants-Montjuïc district, in the city of Barcelona, Spain (DE MOMENTO). The groundwater system which contains the studied area is the Llobregat Delta aquifers system. This system is formed by 2 aquifers, a confined one (the main or deep Llobregat Delta aquifer), and an unconfined one (the superficial aquifer of the delta). The second one will be the aquifer studied in this project. Monitoring and control of the system belongs to the institution Agència Catalana de l Aïgua. In this kind of works, the extracted water from aquifers always is discharged into the sewerage system which means, a wasted resource. The alternative proposal in this project, is to re-inject the extracted water to aquifers through recharge wells built some distance away of the future excavation. Both ways, discharging in the sewerage system and re-injecting, have been evaluated in an environmental and economically facet, to discern which is the most efficient solution, and which one guarantees the best conservation of the unconfined aquifer of the Llobregat Delta.

Keywords: Mathematical modelling, Groundwater, Hydrogeology, Dewatering, Llobregat Delta

La modelación matemática de los recursos subterráneos a gran escala a través de modelos numéricos, es una práctica habitual en Hidrología desde hace décadas. No sucede lo mismo cuando se trata de aplicar estos modelos a problemas geotécnicos a una escala local, como es el caso del rebajamiento del nivel freático (dewatering) con el fin de llevar a cabo una obra civil, por ejemplo, una edificación. El rebajamiento del nivel freático es un procedimiento ingenieril que se ejecuta para poder trabajar con seguridad a una cierta profundidad de excavación. El objetivo es situar temporalmente el nivel de agua de un acuífero por debajo de la cota mínima de la obra, y así operar en terreno seco. Para ello se extrae de manera constante cierto volumen de agua. Hay varias formas de extraer el agua del subsuelo. Los principales son los sistemas de filtros por vacío (wellpoint) y los pozos de drenaje convencionales. El sistema elegido es función de las características específicas del terreno y de la obra a realizar, así como también de la permeabilidad del acuífero, la profundidad inicial del nivel freático, y el sistema de contención de la excavación que se realizará o el descenso que se busca conseguir. En este trabajo final de máster se aplica la modelación numérica del flujo de agua subterránea a un problema habitual de la ingeniería civil: la necesidad de mantener los niveles piezométricos por debajo de una determinada cota para poder realizar las excavaciones necesarias y la construcción de una obra en seco. Para ello se utiliza el código MODFLOW (McDonald y Harbaugh, 1984) y la interfaz gráfica de usuario ModelMuse (Winston, R. B., 2009), ambas del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS). La obra analizada se ubica en el distrito de Sants-Montjuïc, en la ciudad de Barcelona. El sistema de acuíferos que se encuentra bajo la zona es el del Delta del Llobregat, cuya monitorización y control corresponde a la Agència Catalana de l Aïgua (ACA). Dicho sistema está formado por el acuífero principal o profundo del Delta del Llobregat, y por el acuífero superficial del Delta, el cual será el estudiado en este trabajo. En este tipo de obras, el agua extraída de los acuíferos siempre se vierte al alcantarillado, con el consiguiente derroche del recurso. En este trabajo se propone la alternativa de inyectar el agua extraída a través de la construcción de unos pozos de recarga a una cierta distancia de la obra. Las dos alternativas, vertido al alcantarillado y reinyección, son valoradas económica y ambientalmente, para discernir cual es la solución más eficiente, y que garantice la mejor conservación del acuífero superficial del Delta del Llobregat.

Palabras Clave: Modelación matemática, Aguas subterráneas, Hidrogeología, Dewatering, Delta del Llobregat

[CA] La modelació matemàtica dels recursos subterranis a gran escala a través de models numèrics, és una pràctica habitual en Hidrologia des de fa dècades. No succeïx el mateix quan es tracta d'aplicar estos models a problemes geotècnics a una escala local, com és el cas del rebaixament del nivell freàtic (dewatering) a fi de dur a terme una obra civil, per exemple, una edificació. El rebaixament del nivell freàtic és un procediment ingenieril que s'executa per a poder treballar amb seguretat a una certa profunditat d'excavació. L'objectiu és situar temporalment el nivell d'aigua d'un aqüífer per davall de la cota mínima de l'obra, i així operar en terreny sec. Per a això s'extrau de manera constant un cert volum d'aigua. Hi ha diverses formes d'extraure l'aigua del subsòl. Els principals són els sistemes de filtres per buit (wellpoint) i els pous de drenatge convencionals. El sistema triat és funció de les característiques específiques del terreny i de l'obra a realitzar, així com també de la permeabilitat de l'aqüífer, la profunditat inicial del nivell freàtic, i el sistema de contenció de l'excavació que es realitzarà o el descens que es busca aconseguir. En este treball final de màster s'aplica la modelació numèrica del flux d'aigua subterrània a un problema habitual de l'enginyeria civil: la necessitat de mantindre els nivells piezomètrics per davall d'una determinada cota per a poder realitzar les excavacions necessàries i la construcció d'una obra en sec. Per a això s'utilitza el codi MODFLOW (McDonald i Harbaugh, 1984) i la interfície gràfica d'usuari ModelMuse (Winston, R. B., 2009), ambdós del Servici Geològic dels Estats Units (USGS). L'obra analitzada s'ubica en el districte de Sants-Montjuïc, en la ciutat de Barcelona. El sistema d'aqüífers que es troba davall la zona és el del Delta del Llobregat, la monitorització i control del qual correspon a l'Agència Catalana de l’Aïgua (ACA). El dit sistema està format per l'aqüífer principal o profund del Delta del Llobregat, i per l'aqüífer superficial del Delta, el qual serà l'estudiat en este treball. En este tipus d'obres, l'aigua extreta dels aqüífers sempre s'aboca al clavegueram, amb el consegüent malbaratament del recurs. En este treball es proposa l'alternativa d'injectar l'aigua extreta a través de la construcció d'uns pous de recarrega a una certa distància de l'obra. Les dos alternatives, abocament al clavegueram i reinjecció, són valorades econòmica i ambientalment, per a discernir qual és la solució més eficient, i que garantisca la millor conservació de l'aqüífer superficial del Delta del Llobregat.