Estimación del Consumo de Agua Subterránea por Freatofitas: Método de Fluctuaciones Diurnas

Estimación del consumo de aguas subterráneas por freatofitas usando fluctuaciones diurnas del nivel freático: Una evaluación de caudales saturados-insaturados

El consumo de agua subterránea por freatofitas es difícil de medir, pero es un importante componente del balance de agua en muchas regiones áridas y ambientes semiáridos. Durante los últimos 70 años, el uso consuntivo de las aguas subterráneas por freatofitas ha sido calculado utilizando un método que analiza las tendencias diurnas en hidrogramas de pozos que se proyectan a través de la capa freática. La fiabilidad de las estimaciones obtenidas con este planteamiento nunca ha sido rigurosamente evaluada usando simulaciones de flujo saturados-insaturados. Presentamos una evaluación para geometrías de flujo común y una serie de propiedades hidráulicas. Los resultados indican que la principal fuente de error en el método de White es la incertidumbre en la estimación del rendimiento específico. El consumo por evapotranspiración de agua subterránea a menudo llega a ser significativamente sobreestimada con el método de White si los efectos del tiempo de drenaje y la profundidad del nivel freático en el rendimiento específico se ignoran. Utilizamos el concepto de rendimiento específico disponible como base para la estimación del valor del rendimiento específico adecuado para usar con el método de White. Se definen directrices para la estimación de rendimientos específicos disponibles en función de la textura del sedimento. El uso de estas directrices con el método de White debería permitir que el consumo de aguas subterráneas por evapotranspiración sea más precisamente cuantificado.

1. Introducción

La gestión eficaz de los recursos de agua subterránea requiere información acerca de todos los componentes del balance de agua. La evapotranspiración (ET) es a menudo un componente significativo del balance de agua en ambientes de ribera. Sin embargo, se sabe relativamente poco sobre la fracción de evapotranspiración resultante del uso de aguas subterráneas por freatofitas, plantas como álamos (Populus spp.), sauces (Salix spp.), y cedro (Tamarix spp.) que crecen en las zonas de riberas y son capaces de extraer agua de la zona saturada. Como el consumo de aguas subterráneas por freatofitas (en adelante ET_G) se ha convertido en un tema de creciente importancia en sistemas corriente-acuífero sometidos al desarrollo de aguas subterráneas, existe una necesidad de obtener mejor información sobre este componente del balance de agua.

Existe un número de métodos disponibles para medir la ET, pero pocos han demostrado ser eficaces en la ribera de pasillos relativamente estrechos donde freatofitas son más frecuentes. Balance de energía o métodos de correlación de turbulencia son probados con diferentes enfoques para la determinación de ET. Sin embargo, además de su complejidad y la necesidad de costosas estaciones micrometeorológicas, los requisitos son demasiado grandes para muchas áreas ribereñas. Métodos basados en satélites para la estimación de ET, como el algoritmo de balance de energía de superficie para tierra (SEBAL), han demostrado ser valiosos a nivel regional, pero son difíciles de aplicar para corredores ribereños estrechos, donde la mezcla de píxeles de suelo desnudo, aguas abiertas, vegetación ribereña, etc, puede introducir errores significativos. La medición de evaporación del suelo puede ser una alternativa simple para obtener estimaciones de ET, pero la elección de un coeficiente de afloramiento adecuado es problemático, ya que las propiedades térmicas y de resistencia de suelos y plantas pueden ser muy diferentes. Pesaje en lisímetros proporcionan una medida directa de ET, pero no son prácticos para estimar la transpiración de grandes freatofitas ribereñas como álamos y sauces. Las mediciones directas de la transpiración se puede obtener mediante porómetro y trazador de savia, pero resulta en estimaciones inciertas cuando la escala de hojas individuales o plantas para la zona ribereña son tomadas como un todo.

Cuantificación de ET_G, el componente de ET resultante del consumo de aguas subterráneas por freatofitas, ha demostrado ser particularmente difícil. La mayoría del trabajo anterior ha implicado trazadores isotópicos, residuos de balance de agua, o fluctuaciones del nivel freático. Trazadores isotópicos se pueden utilizar para determinar la fracción de agua transpirada aportada por las aguas subterráneas cuando el agua puede ser isotópicamente diferenciada de otras fuentes, pero esta técnica debe ser utilizada en combinación con un método para determinar la transpiración con el fin de cuantificar la tasa de consumo de aguas subterráneas por las plantas. El consumo de aguas subterráneas por freatofitas también se ha calculado con el balance de agua residual de los estudios de campo en el que los otros componentes del balance hídrico se han calculado a partir del monitoreo de datos. Sin embargo, la gran incertidumbre con respecto a las entradas y salidas de agua al subsuelo, entre otros aspectos del balance de agua, hace que sea difícil tener confianza en que el balance de agua residual es principalmente una función del uso de agua de la planta.

Los métodos basados en las fluctuaciones del nivel freático se derivan de la idea de que si las plantas están utilizando las aguas subterráneas como una fuente importante de su suministro de agua, pozos seleccionados a través de la capa freática debieran mostrar fluctuaciones diurnas en la elevación del nivel freático en respuesta a los patrones diarios de uso de agua por freatofitas. El análisis de las fluctuaciones debería posibilitar el consumo de aguas subterráneas por freatofitas a ser estimado. Este enfoque tiene varias características ventajosas: (1) Esto resulta en continuas estimaciones diarias de la ET_G, una cantidad que es difícil de obtener con cualquier otro método. (2) Las variaciones de nivel freático en la que se basa son la respuesta integrada a estreses de freatofitas que son muy heterogéneos y difíciles de caracterizar. (3) El enfoque es de carácter genérico y no dependen de ninguna mezcla particular de freatofitas. (4) El método puede ser fácilmente aplicado a un costo relativamente bajo. El método más comúnmente usado para el análisis de hidrogramas para estimar el consumo de aguas subterráneas por freatofitas es el de White. La investigación ulterior de este método es el objetivo principal del estudio descrito en este documento.

2. Las fluctuaciones diurnas del nivel freático y el método de White

En las zonas donde las plantas directamente toman agua subterránea para su abastecimiento, hidrogramas de los pozos examinados a través de la capa freática suelen mostrar fluctuaciones diurnas superimpuestas en algún largo trecho durante el período vegetativo. Las figuras 1a y 1b muestran fluctuaciones diurnas del nivel registradas en un lugar bien controlado a través de la capa freática en un acuífero aluvial situado en la zona ribereña del río Arkansas en el centro de Kansas. Las fluctuaciones, que no se producen por las variaciones en el bombeo, la presión barométrica o la temperatura, comienzan en abril en este sitio y continuar a través de la primeras heladas, y se limitan a la zona de vegetación freatofitica. Similares fluctuaciones diurnas del nivel freático han sido reportados por White, Troxell, Tromble, Farrington et al., Laczniak et al., Dulohery et al., Scott et al., y Dahm et al., entre otros, y fluctuaciones diurnas también se han observado en tensiómetro y datos de caudales.

Las fluctuaciones diurnas del nivel freático (Acuífera libre) mostradas en las figuras 1a y 1b son producidas por las fluctuaciones diurnas de uso de agua de la planta. Las plantas transpiran agua durante el día, tanto que el nivel freático disminuye a través de la mayor parte de este período si las plantas están utilizando las aguas subterráneas de forma significativa (Figura 1b). Del mismo modo, durante la noche, cuando la transpiración disminuye significativamente o cesa, el nivel freático se recuperará debido a la entrada neta. Dos veces por día, el uso del agua vegetal se ve compensada por ingreso neto, produciendo el pico y el valle en el registro de nivel de agua en la mañana y tarde, respectivamente. En ausencia de precipitaciones frecuentes, cambios de la corriente, o ciclicidad cerca de pozos de bombeo, el patrón diurno del uso del agua por las plantas produce un patrón fácilmente observable de fluctuaciones en la elevación del nivel freático (Figuras 1a y 1b). Como parte de un estudio de los humedales en zonas áridas de Escalante Valle de Utah, White reconoció que las fluctuaciones diurnas del nivel freático eran un producto del uso del agua por las plantas y propuso un método para estimar este uso a partir de un análisis de hidrogramas. El método de White utiliza la siguiente expresión (Figura 1b):

Donde ET_G es la tasa de consumo por evapotranspiración de las aguas subterráneas como promedio durante un período de 24 horas, S_Y es el rendimiento específico, Äs es el cambio diario en el almacenamiento, R es la tasa de ingreso neto (recuperación) y t es el período de tiempo de un día expresado en la unidad de tiempo adecuada (por ejemplo, 86400s cuando términos de tasa se expresan en m/s). Añadimos el subíndice G en ET_G para destacar que en este trabajo calculamos el componente de ET que se deriva de la zona saturada (es decir, aguas subterráneas). En el ámbito hidrológico dónde método de White fue desarrollado, el agua subterránea fue esencialmente la única fuente de agua para la vegetación de este modo ET y ETG fueron equivalentes. En otros entornos, sin embargo, la zona no saturada puede ser a menudo la fuente de agua dominante para la vegetación, caso en el que ET_G será un componente insignificante de ET.

El cambio del almacenamiento en la ecuación (1) se calcula como la diferencia entre las máximas diarias en el día de interés y la misma cantidad al día siguiente. Esta diferencia puede ser positiva o negativa dependiendo de si la tendencia global es a caer (positiva) o aumentar (negativo) en los niveles de agua. El término ingreso neto se determina a partir de la tasa de cambio en la elevación del nivel freático resultante de todos los flujos dentro o fuera de la región cercana al pozo durante un período (la noche) cuando se supone que la transpiración es insignificante. En este trabajo, la tasa de ingreso neto se calcula a partir de la pendiente de la recta que mejor se ajuste al hidrógrafo entre medianoche y las 4 AM. La hipótesis de White plantea que la fuente de la recuperación es el influjo desde profundidades, mientras que Davis y De Wiest suponen que la recuperación es causada por influjo lateral desde fuera de la zona ribereña. Como nuestro análisis mostrará, una de las características más atractivas del método de White es que los datos del sistema de flujo no necesitan ser conocidos ya que la tasa de ingreso neto puede ser cuantificada desde los registros de un único pozo.

La hipótesis principal del método de White son las siguientes: (1) Las fluctuaciones diurnas de la capa freática son producto del uso de agua de la planta. (2) El consumo de aguas subterráneas por las plantas es insignificante entre la medianoche y las 4 am. (3) Una velocidad de flujo constante en la región cercana al pozo se produce en todo el día, es decir, los impactos de los eventos de recarga, bombeo cíclico, etc. se asumen despreciables. (4) Un valor representativo de rendimiento específico puede ser determinado. Como mostraremos, el cuarto supuesto ha resultado ser especialmente problemático.

El método de White se ha comparado con otras estimaciones de ET_G por Gatewood et al., Tromble, y Farrington et al. Estos estudios mostraron una concordancia razonable entre los métodos, excepto que Gatewood et al. determinó que la transpiración del cedro fue distinta de cero durante la noche, lo cual viola el segundo supuesto del método de White. Troxell, Nichols, y, et al Laczniak. han criticado el método de White por ser demasiado simplista, mientras que Gerla y Rosenberry afirman que el método a menudo sobreestima ET_G debido a la incertidumbre en cuanto al rendimiento específico. Una modificación del método que resulta en horas estimadas de ET_G fue propuesta por Troxell, pero ha sido de poca utilidad en la práctica. Qashu y Bleby et al. han utilizado variantes del método de White, pero estos métodos no parecen ser los adecuados para el término ingreso neto. A pesar de la concordancia razonable en comparación con otros métodos, las características inherentes beneficiosas descritas anteriormente, y el hecho de que se ha presentado en varios libros de texto de introducción, el método de White no ha sido ampliamente adoptado. Así pues, existe una necesidad de una nueva evaluación de este método potencialmente útil para la estimación de la ET_G. Aunque la simulación numérica de procesos de flujo saturado-no saturado sería un elemento esperado en cualquier evaluación rigurosa del método de White que al parecer no ha sido hecho previamente. En este trabajo se describe e informan los resultados de una simulación basada en la evaluación del método de White.

8. Conclusiones

Este estudio demuestra que las estimaciones razonables de consumo de las aguas subterráneas por freatofitas (ETG) se pueden obtener a través de un análisis de hidrogramas con el método propuesto por White. Estas estimaciones son necesarias para una gestión eficaz de los recursos de agua subterránea, especialmente cuando las consideraciones ecológicas se incorporan a la política de aguas [Gleick, 2000]. El método Blanco utiliza el tipo de ingreso neto determinado por la recuperación de la capa freática durante el período de noche asumiendo cero transpiración, el cambio neto en la elevación del nivel freático durante un día, y una estimación del rendimiento específico disponible para cuantificar ETG. La mayor fuente de error es la incertidumbre en la estimación del rendimiento específico disponible. Aunque este valor crítico depende del tipo de textura, duración del drenaje y la profundidad de la capa freática, que proporcionan un medio para su estimación para el período de tiempo adecuado para esta aplicación. También se demuestra que, si bien los datos del sistema de flujo de agua subterránea determinan la tasa de ingreso neto, el entendimiento entre estos elementos es necesario para estimar ETG utilizando el método de White.

Si el concepto de rendimiento específico disponible se pasa por alto, el método Blanco puede significativamente predecir ETG para los sedimentos con más de 10% de limos y arcillas. El rendimiento específico disponible considerando el hecho de que el agua no es liberada instantáneamente de la zona no saturada, es la principal causa de la gran cantidad de sobre predicción de ETG. Los valores de rendimiento específico disponible se determinaron en este estudio, a través de simulaciones de flujos saturados-insaturados con propiedades hidráulicas que son típicas para cada tipo de textura. Utilizando las directrices presentadas aquí, con un valor razonable, se puede determinar el rendimiento específico disponible, realizando un simple método de Blanco, método rentable para la evaluación continua del consumo de aguas subterráneas a diario por la vegetación freatofitica.