Modelo Numérico Hidrogeológico del Valle del Medio y Bajo Piura - Perú

Abstract

In this work, the groundwater flow of the Valle Medio and Bajo Piura aquifer was analyzed using the MODFLOW finite difference numerical modeling, with PMWIN software. The main aim of the numerical model of the aquifer is to quantify and analyze system flows, and consequently to improve the knowledge and understanding of groundwater in the aquifer.

The aquifer of the Valle Medio and Bajo Piura is divided into three strata, the surface aquifer composed of quaternary formations, the semiaquitard and the confined aquifer composed of tertiary formations. The pumping rate of the confined aquifer is higher than the superficial aquifer; this is due to the low electrical conductivity that makes ideal the use of its waters for the urban supply. The aquifer is located in a semi-arid coastal area with limited recharge and it has been exploited since 1980, being the main uses of urban and agricultural supply. Following the reports of the water management authorities, pumping withdrawals have doubled between 1980 and 2014, from 27.01 Hm3 / year to 58.06 Hm3 / year, respectively, resulting in a decline of hydraulics head levels mainly in the confined aquifer, exploited by the good quality of its waters. Although the exploitation of groundwater is regulated and monitored by the National Water Authority of Peru, there are no reliable studies that quantify and characterize the groundwater resources, making it impossible to manage and consequently, an uncontrolled exploitation with high risks of pollution and overexploitation.

One of the most demanding activities was the collection of hydrogeological information from the study area (hydrology, exploitation volumes, geology, hydrogeology, well characteristics, aquifer parameters, etc.). Subsequently a comprehensive analysis of the data was carried out and the hypotheses for the construction of the conceptual model of the aquifer were fixed. A numerical model was constructed under a transient regime that models the aquifer between October 2004 and October 2014, being a total of 10 years evaluated in monthly periods. Prior to transient modeling, a stationary model representative of October 2004 was constructed, which allowed to evaluate and adjust the hypotheses of the conceptual model. The hydraulic heads resulting from the steady state model were used as initial conditions in the transient model. The calibration of the hydraulic parameters was performed with historical records (2004-2014) of hydraulic heads of 69 piezometers and acceptable calibrations were obtained for both the steady state model and the transient model by Nash-Sutcliffe efficiency values of 0.97 and 0.96, respectively. However, the best results of the calibration do not indicate that the model is reproducing the aquifer behavior with greater accuracy and precision, therefore the results of the model must be interpreted with caution and physical sense.

En este trabajo se analizó el flujo de aguas subterráneas del acuífero del Valle Medio y Bajo Piura, mediante modelamiento numérico de diferencias finitas MODFLOW en el departamento de Piura, Perú, con el software PMWIN. El objetivo principal del modelo numérico del acuífero es cuantificar y analizar los flujos del sistema, y en consecuencia mejorar el conocimiento y comprensión de la circulación de aguas subterráneas en el Valle Medio y Bajo Piura.

El acuífero del Valle Medio y Bajo Piura se divide en tres estratos, el acuífero superficial compuesto por formaciones cuaternarias, el semiacuitardo y el acuífero confinado compuestos por formaciones terciarias. La explotación del acuífero confinado es varias veces superior a la explotación del acuífero superficial, esto se debe a la baja concentración de sales que hacen ideal el uso de sus aguas para el abastecimiento urbano. El acuífero está localizado en un área costera semiárida con recargas limitadas y se tiene registro de su explotación desde el año 1980, siendo los principales usos para el abastecimiento urbano y agropecuario. Siguiendo los reportes de las autoridades encargadas de la gestión del agua en esta zona, las extracciones por bombeos se han duplicado entre el año 1980 y 2014, de 27.01 Hm3/año a 58.06 Hm3/año, respectivamente, produciendo el descenso de los niveles de altura hidráulica principalmente en el acuífero confinado, explotado por la buena calidad de sus aguas. A pesar que la explotación de las aguas subterráneas es regulada y monitoreada por la Autoridad Nacional del Agua del Perú, no existen estudios serios que cuantifiquen y caractericen los recursos hídricos subterráneos, haciendo imposible su gestión y en consecuencia se viene realizando una explotación descontrolada con altos riesgos de contaminación y sobreexplotación.

Una de las más demandantes actividades fue la recopilación de información hidrogeológica del área de estudio (hidrología, volúmenes de explotación, geología, hidrogeología, características de pozos, parámetros del acuífero, etc.). Posteriormente se realizó un análisis integral de los datos y se fijaron las hipótesis para la construcción del modelo conceptual del acuífero. Se construyó un modelo numérico en régimen transitorio que modela el acuífero entre octubre del 2004 y octubre del 2014, siendo un total de 10 años evaluados en periodos de tiempos mensuales. Previo a realizar el modelamiento en régimen transitorio, se construyó un modelo estacionario representativo de octubre 2004, que permitió evaluar y ajustar las hipótesis del modelo conceptual. Las alturas hidráulicas resultantes del modelo calibrado en régimen estacionario, se utilizaron como condiciones iniciales en el modelo en régimen transitorio. La calibración de los parámetros hidráulicos se realizó con registros históricos (2004-2014) de alturas hidráulicas de 69 piezómetros y se obtuvo calibraciones aceptables tanto para el modelo en régimen estacionario como para el modelo en régimen transitorio con valores de la eficiencia de Nash-Sutcliffe de 0.97 y 0.96, respectivamente. Sin embargo, los buenos resultados de la calibración no indican que el modelo este reproduciendo el comportamiento del acuífero con mayor exactitud y precisión, por tanto los resultados del modelo se deben interpretar con cautela y sentido físico.

[CA] En este treball es va analitzar el flux d'aigües subterrànies de l'aqüífer de la Valle Medio y Bajo Piura, per mitjà de modelamiento numèric de diferències finites MODFLOW en el departament de Piura, Perú, amb el programari PMWIN. L'objectiu principal del model numèric de l'aqüífer és quantificar i analitzar els fluxos del sistema, i en conseqüència millorar el coneixement i comprensió de la circulació d'aigües subterrànies en la Valle Medio y Bajo Piura. L'aqüífer de la Valle Medio y Bajo Piura es dividix en tres estrats, l'aqüífer superficial compost per formacions quaternàries, el semiacuitardo i l'aqüífer confinat compostos per formacions terciàries. L'explotació de l'aqüífer confinat és diverses vegades superior a l'explotació de l'aqüífer superficial, açò es deu a la baixa concentració de sals que fan ideal l'ús de les seues aigües per a l'abastiment urbà. L'aqüífer està localitzat en una àrea costanera semiárida amb recarregues limitades i es té registre de la seua explotació des de l'any 1980, sent els principals usos per a l'abastiment urbà i agropecuari. Seguint els reports de les autoritats encarregades de la gestió de l'aigua en esta zona, les extraccions per bombaments s'han duplicat entre l'any 1980 i 2014, de 27.01 Hm3/año a 58.06 Hm3/año respectivament, produint el descens dels nivells d'altura hidràulica principalment en l'aqüífer confinat, explotat per la bona qualitat de les seues aigües. A pesar que l'explotació de les aigües subterrànies és regulada i monitoreada per l'Autoritat Nacional de l'Aigua del Perú, no hi ha estudis seriosos que quantifiquen i caracteritzen els recursos hídrics subterranis, fent impossible la seua gestió i en conseqüència es realitza una explotació descontrolada amb alts riscos de contaminació i sobreexplotació. Una de les més demandants activitats va ser la recopilació d'informació hidrogeològica de l'àrea d'estudi (hidrologia, volums d'explotació, geologia, hidrogeologia, característiques de pous, paràmetres de l'aqüífer, etc.). Posteriorment es va realitzar una anàlisi integral de les dades i es van fixar les hipòtesis per a la construcció del model conceptual de l'aqüífer. Es va construir un model numèric en règim transitori que modela l'aqüífer entre octubre del 2004 i octubre del 2014, sent un total de 10 anys avaluats en períodes de temps mensuals. Previ a realitzar el modelamiento en règim transitori, es va construir un model estacionari representatiu d'octubre 2004, que va permetre avaluar i ajustar les hipòtesis del model conceptual. Les altures hidràuliques resultants del model calibrat en règim estacionari, es van utilitzar com a condicions inicials en el model en règim transitori. La calibratge dels paràmetres hidràulics es va realitzar amb registres històrics (2004-2014) d'altures hidràuliques de 69 piezòmetres i es va obtindre calibratges acceptables tant per al model en règim estacionari com per al model en règim transitori amb valors de l'eficiència de NashSutcliffe de 0.97 i 0.96 respectivament. No obstant això, els bons resultats de la calibratge no indiquen que el model este reproduint el comportament de l'aqüífer amb major exactitud i precisió, per tant els resultats del model s'han d'interpretar amb cautela i sentit físic. Els resultats del model presentats en este treball revelen que les principals recarregues de l'aqüífer superficial són les retorns de reg i la recarrega lateral provinent de l'aqüífer de l'Alt Piura. A més, hi ha flux que ingressen a l'aqüífer des dels cossos d'aigua superficials en la part baixa del model. No obstant això, en el balanç general els cossos d'aigua superficials són guanyadors, açò es deu principalment a la transferència de flux de l'aqüífer cap al va riure Piura en la part alta del model abans que el va riure canvie la seua direcció cap al Sud. En l'aqüífer superficial el model no evidència problemes d'intrusió marina, el flux seguix el seu curs natural amb direcció Sud Oest fins a l'Oceà Pacífic. El balanç mitjana de fluxos dels anys 2004-2014 de l'aqüífer superficial revela l'extracció continuada d'aigües emmagatzemades. No obstant això, a causa de la ràpida interacció que s'ha observat entre l'aqüífer i les recarregues superficials és possible que este emmagatzemament es recupere ràpidament amb esdeveniments extrems com el Fenomen del Xiquet. La principal eixida de flux de l'aqüífer superficial és la transferència de flux cap a l'aqüífer confinat. L'anàlisi dels fluxos de l'aqüífer confinat mostra que la principal font de recarrega són les transferències de flux des de l'aqüífer superficial i en molta menor magnitud les transferències de flux des de l'aqüífer de l'Alt Piura. Ja que en l'aqüífer confinat es dóna la major explotació i la recarrega no està cobrint este volum d'explotació, s'extrau aigües de l'emmagatzemament, podent-se observar en els gràfics un increment en l'extracció d'aigües emmagatzemades proporcional a l'increment de les explotacions. L'aqüífer confinat es troba aïllat per l'acuitardo i en conseqüència el procés de recarrega del mateix és molt més lent, amb la qual cosa la constant extracció d'aigües d'emmagatzemament es veu reflectida en descensos d'altures hidràuliques que ocasiona increment de costos d'explotació i possibles problemes de contaminació per intrusió marina al tractar-se d'un aqüífer costaner. La modelació i anàlisi realitzat en este treball busca establir les primeres aproximacions cap a un millor coneixement i comprensió de l'aqüífer de la Valle Medio y Bajo Piura, sent necessari que les autoritats involucrades en la gestió de recursos hídrics, elaboren estudis que permeten reduir la incertesa associada al model i d'esta manera es puguen elaborar models de major robustesa que siguen útils per a la presa de decisions i gestió de recursos hídrics. No és possible gestionar un recurs subterrani, si no es coneix les seues fonts de recarrega, el règim de circulació dels fluxos i els límits d'explotació que permeten un ús sostenible del mateix.