Ingeniero Civil / El problema de la intrusión salina en acuíferos costeros de las islas del mundo, se ha convertido en la principal causa de degradación de la calidad del agua en las zonas pobladas cercanas a costas, debido a la instalación de pozos en las cercanías del mar y el desconocimiento de la dinámica de las formaciones acuíferas subterráneas, que son abastecidas únicamente por una recarga producida por las precipitaciones que caen sobre estos cuerpos de tierra. Motivado por esto, el presente trabajo se enfoca en la implementación de un modelo experimental y numérico que simule la formación de un lente de agua dulce en una isla bidimensional, con el fin de estudiar la forma y profundidad de la interfaz de densidad en régimen permanente entre el agua de mar y dulce entrante, y la influencia de la recarga superficial y la conductividad hidráulica sobre este proceso, para analizar la validez de las soluciones analíticas existentes para las dimensiones del montaje y la relevancia de los parámetros hidrogeológicos sobre la dinámica de la formación de acuíferos costeros. Para esto, se diseñó y construyó un montaje experimental que simula las condiciones de nivel de mar en la costa y recarga superficial uniforme sobre la superficie de la isla. Se realizaron seis experimentos de laboratorio, considerando tres recargas superficiales de agua dulce teñida con colorante y dos conductividades hidráulicas distintas, que fueron caracterizadas por ensayos de permeámetro de carga constante. Se tomó registro de cada experiencia mediante fotografías de la evolución del fenómeno hasta alcanzar el estado estacionario. Mediante el análisis de imágenes de los experimentos, se logró identificar la interfaz y el alcance de la parte central para distintos tiempos. El modelo numérico fue construido en el paquete computacional COMSOL, utilizando un modelo de flujo de dos fases en medios permeables. El problema se modeló como flujo de dos fases miscibles y los parámetros relevantes se asignaron de acuerdo a las propiedades del suelo y las condiciones de borde e inicial según lo observado en el montaje experimental. Los resultados fueron comparados cualitativa y cuantitativamente con lo encontrado mediante el análisis de imágenes de los experimentos y las soluciones teóricas. Además, se aplicó una de las soluciones analíticas estudiadas al caso de la Isla de Pascua, con el fin de estimar la profundidad de la interfaz y el nivel freático. Se obtuvo que el montaje experimental fue capaz de reproducir la forma y evolución de la interfaz en el tiempo, validando las soluciones analíticas existentes para una razón de aspecto límite entre la profundidad máxima del lente y el ancho de la isla de 1:5, ratificando lo obtenido por Dose et al.,2014. Por otro lado, el modelo numérico arrojó buenos resultados para la granulometría más gruesa. Se encontró también, que la conductividad hidráulica es el parámetro que condiciona prioritariamente el alcance del lente de agua dulce, mientras la recarga sólo tiene una influencia menor en el inicio del proceso transiente del acuífero en formación.

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Modelling seawater intrusion (SWI) has evolved from a tool for understanding to a water management need. Yet, it remains a challenge. Difficulties arise from the assessment of dispersion coefficients and the complexity of natural systems that results in complicated aquifer geometries and heterogeneity in the hydraulic parameters. Addressing such difficulties is the objective of this thesis. Specifically, factors that may affect the flow and transport in coastal aquifers and produce heterogeneous salinity distributions are studied.First, a new paradigm for seawater intrusion is proposed since the current paradigm (the Henry problem) fails to properly reproduce observed SWI wedges. Mixing is represented by means of a velocity dependent dispersion tensor in the new proposed problem. Thereby, we denote it as "dispersive Henry problem". SWI is characterized in terms of the wedge penetration, width of the mixing zone and influx of seawater. We find that the width of the mixing zone depends basically on dispersion, with longitudinal and transverse dispersion controlling different parts of the mixing zone but displaying similar overall effects. The wedge penetration is mainly controlled by the horizontal permeability and by the geometric mean of the dispersivities. Transverse dispersivity and the geometric mean of the hydraulic conductivity are the leading parameters controlling the amount of salt that enters the aquifer.Second, the effect of heterogeneity was studied by incorporating heterogeneity in the hydraulic permeability into the modified Henry problem. Results show that heterogeneity causes the toe to recede while increases both the width and slope of the mixing zone. The shape of the interface and the saltwater flux depends on the distribution of the permeability in each realization. However, the toe penetration and the width of the mixing zone do not show large fluctuations. Both variables are satisfactorily reproduced, in cases of moderate heterogeneity, by homogeneous media with equivalent permeability and either local or effective dispersivities.Third, the effect of aquifer geometry in horizontally large confined aquifers was analyzed. Lateral slope turned out to be a critical factor. Lateral slopes in the seaside boundary of more than 3% cause the development of horizontal convection cells. The deepest zones act as preferential zones for seawater to enter the aquifer and preferential discharging zones are developed in the upwards lateral margins. A dimensionless number, Nby, has been defined to estimate the relative importance of this effect.All these factors can be determinant to explain the evolution of salinity in aquifers such as the Main aquifer of the Llobregat delta. Finally, a management model of this aquifer is developed to optimally design corrective measures to restore the water quality of the aquifer. The application of two different optimization methodologies, a linear and a non-linear optimization method, allowed (1) to quantify the hydraulic efficiency of two potential corrective measures: two recharge ponds and a seawater intrusion barrier; (2) to determine the water necessary to be injected in each of these measures to restore the water quality of the aquifer while minimizing changes in the pumping regime and (3) to assess the sustainable pumping regime (with and without the implementation of additional measures) once the water quality has been restored. Shadow prices obtained from linear programming become a valuable tool to quantify the hydraulic efficiency of potential corrective measures to restore water quality in the aquifer.

Sea water intrusion is the process by which the sea water in an aquifer displaces the sweet water as consequence of a sensitive reduction of the hydraulic head, either for natural actions or for anthropic activity Sea water intrusion takes place in the coastal aquifers mainly independently to the predominant lithology. In this work the scenario analysis is approached by studying the effects that sea water intrusion in dry years would produce to the supply of underground water to the City of Havana and Havana Province, when there would be high exploitation of the aquifers without maintenance of recharge works such as in South Dike.There would be a cartography of the scenario in danger to show the presage of the penetration expressed in the longitude of the marine intrusion wedge, taking as contour conditions the variable that may be unfavorable for their temporal variation, such as precipitation and depression. The thickness of the sheet of sweet water is considered constant. / La intrusión marina es el proceso por el cual el agua de mar desplaza en un acuífero el agua dulce como consecuencia de una reducción sensible de la carga hidráulica, ya sea por acciones naturales o por actividad antrópica.La intrusión marina tiene lugar principalmente en los acuíferos costeros independientemente a la litología predominante.En este trabajo se aborda el análisis del escenario que en el abasto de agua subterránea a la Ciudad de La Habana y Provincia Habana produciría la intrusión marina durante la ocurrencias de años secos, simultaneados, con altas explotaciones del acuífero y el no mantenimiento de obras de recarga como es el caso del Dique Sur.Se cartografía el escenario de peligro que muestra el pronóstico de la penetración expresada en longitud de la cuña de intrusión marina tomando como condiciones de contorno las variables que pueden ser desfavorables por su variación temporal, tales como la precipitación, explotación y abatimiento. Se considera constante el espesor de la lámina de agua dulce.

Con el objetivo de evaluar las ventajas y desventajas del uso de un modelo numérico para representar la intrusión salina en acuíferos costeros, se desarrolló un modelo en la quebrada Los Choros, ubicada al oeste de la Cordillera de la Costa, en el extremo norte de la IV región. Las características geográficas y climáticas del área de estudio hacen que la oferta de agua sea escasa, afectando el avance del agua marina hacia el continente, provocando el crecimiento de la zona de mezcla. Aunque la población y actividad económica de la cuenca son escasas, existe espacio para que crezcan, por lo que la demanda por recursos hídricos se podría incrementar. El acuífero del sector costero de la quebrada Los Choros se desarrolla en sedimentos parcialmente a no consolidados, y está formado mayoritariamente por terrazas marinas desarrolladas a partir del Mioceno. Las unidades que conforman el acuífero están limitadas en la Cordillera de la Costa por la Fm. Canto del Agua, el Grupo Bandurrias y algunos intrusivos. En el extremo occidental se pueden reconocer cuatro unidades hidrogeológicas: Acuífero Freático, Acuitardo, Acuitardo Costero y Acuifijo. Desde el punto de vista hidrogeológico, la recarga del acuífero está asociada a la infiltración y percolación de aguas superficiales, cuyo caudal depende casi exclusivamente de la precipitación y del flujo de agua subterránea desde la quebrada Los Choros (estimado en 80,6 l/s). La descarga se asocia al flujo de agua subterránea hacia el mar, que depende de la precipitación, de las extracciones artificiales (con derechos de 2,7 l/s), y de la evapotranspiración (con un caudal estimado de 10,2 l/s). La conductividad hidráulica presenta valores entre 0,142 y 0,8 cm/s. La concentración de cloruro está controlada por la entrada de agua desde la quebrada Los Choros y por la difusión de agua salada desde el mar. Su distribución espacial está marcada por un aumento desde el pueblo Los Choros hacia el noroeste y disminución desde el mar hacia el interior. Los datos hidrogeoquímicos reafirman lo anterior e indican que la salinización del acuífero se debe casi exclusivamente a la condición natural. La variación temporal de la concentración de cloruros es poco relevante. Para representar numéricamente el acuífero se utilizó el modelo SEAWAT, para lo cual se construyó una grilla de discretización homogénea de 80 por 90 elementos, con elementos de 200 m de lado. Por la escasa información disponible se optó por construir un modelo de un solo estrato. Esto tiene un efecto en la conductividad hidráulica, al asumir que toda la columna es homogénea, y en la definición de las condiciones de borde de la concentración. En el modelo, las conductividades hidráulicas medidas en terreno son dos órdenes de magnitud mayores que las que se usaron en la calibración. Aunque, para resolver el problema propuesto se necesitaría un modelo de tipo predictivo, la falta de datos obligó a construir uno de tipo interpretativo. Este modelo permite comprender el funcionamiento general del sistema, y una vez que se recolecta una mayor cantidad de información, el modelo interpretativo se puede transformar fácilmente en uno de tipo predictivo. En el caso de un problema de intrusión salina, son necesarios una gran cantidad de datos de conductividad hidráulica, dispersión y porosidad, las que son muy difíciles de obtener. Algunos de estos parámetros pueden ser reemplazados por simplificaciones, pero que, posteriormente, no permiten explicar variaciones locales. La información necesaria para construir el modelo predictivo está relacionada con la forma y propiedades físicas del acuífero, por lo que se recomienda hacer: 1) topografía de mayor precisión, 2) desarrollo de una campaña de sondajes eléctricos verticales u otro método geofísico, que muestren la forma del fondo del acuífero, la ubicación del nivel freático y de la cuña de intrusión salina, 3) realización de una mayor cantidad de pruebas de conductividad hidráulica en toda el área y a distintas profundidades, 4) construcción de nuevos sondajes, que alcancen el basamento rocoso en distintos puntos del área modelada, y 5) elaboración de un catastro más detallado de los pozos existentes y su uso.

La demanda de agua en Chilca ha aumentado considerablemente en la última década, debido al aumento de la población y el desarrollo económico en la zona, y a la falta de recursos hídricos disponibles en la cuenca. Esta situación ha incrementado la sobre explotación de los recursos hídricos subterráneos. Estudios actuales revisados arrojaron evidencias de la contaminación del agua extraída. Por lo tanto, esta investigación plantea determinar el grado de extensión de la intrusión marina en la zona costera de Chilca, Lima. Para tal efecto, se modela numéricamente el flujo del agua subterránea con MODFLOW, que incluyen parámetros hidrogeológicos e hidrodinámicos del acuífero. Asimismo, se representa la dinámica de la intrusión marina con el modelo numérico SEAWATER INTRUSION. Se utilizaron datos de cargas hidráulicas en una red de pozos desde el 2005 al 2014, los que se usaron para calibrar el modelo y realizar un análisis de sensibilidad. Con el modelo calibrado, se simuló la intrusión marina en 10, 20 y 40 años. Los resultados muestran que la extensión en longitud de la intrusión podría avanzar hasta 4350 m con respecto al litoral para el año 2057. / The water demand in Chilca has increased considerably in the last decade, due to the increase in population and economic development in the area, and the lack of available water resources in the basin. This situation has increased the overexploitation of groundwater resources. Current studies reviewed showed evidence of contamination of extracted water. Therefore, this research proposes to estimate the extent of the marine intrusion in the coastal zone of Chilca, Lima. For this purpose, first, the groundwater flow is represented using MODFLOW model, which include hydrogeological and hydrodynamic parameters of the aquifer. Second, the dynamics of the marine intrusion is represented with the numerical model SEAWATER INTRUSION. Hydraulics heads from 2005 to 2014 were used from a network wells, which were used to calibrate the model and perform a sensitivity analysis. With the calibrated model, the marine intrusion was simulated in 10, 20 and 40 year-periods. The results show that the extension in terms of length of the intrusion could advance up to 4350 m from the coast line by the year 2057. / Tesis

La calidad del agua para el consumo humano es uno de los temas vigentes por parte de los gestores de los sistemas de abastecimiento y de centros de investigación en el entorno de la hidráulica urbana. Este aspecto es abordado desde distintos puntos de vista, motivado por las consecuencias que implica el consumo de agua contaminada; por tratarse de la protección de la salud pública, es indispensable tener mayor conocimiento en todas las formas en las que es vulnerable el agua potable. Las redes de distribución de agua, como toda obra de ingeniería presentan una vida útil, en la mayoría de las poblaciones urbanas se tienen instalaciones que han cumplido con ella y como consecuencia de circunstancias adversas se pueden ir incrementando los problemas físicos en las conducciones con el paso del tiempo. Entre otros factores identificados en esta problemática se encuentra el fenómeno de la intrusión patógena. En este trabajo se analiza la intrusión como un evento relacionado directamente con las fugas de agua en las conducciones. Este tipo de intrusión se produce cuando las condiciones de presión son adversas en la instalación. Así pues, la situación de las fugas se considera un factor determinante en el rendimiento hidráulico de la red, y además puede representar un riesgo para la calidad del agua en el suministro y por ende para la salud pública. La metodología planteada se ha basado en reproducir los eventos adversos que generan intrusión. El interés de realizar estos trabajos es debido a que en la mayoría de las investigaciones se plantean que la cuantificación de los volúmenes de intrusión es un factor fundamental para el control en la gestión de este tipo de adversidades. En este sentido se realizaron modelos físicos y numéricos en CFD, creando escenarios presentes en las redes de distribución. Se ha realizado la representación física y numérica de las condiciones más adversas para la generación de la intrusión en este aspecto. De esta forma se abordaron los casos en donde los eventos pueden ser más agresivos con la calidad del agua. Finalmente, al tener las herramientas numéricas validadas se pueden reproducir escenarios puntuales donde la vulnerabilidad de la red este comprometida y con ello tener mayor conocimiento de las posibles situaciones que podrían darse durante eventos imprevistos o por cuestiones de gestión en la distribución debida al abastecimiento intermitente. / Mora Rodríguez, JDJ. (2011). Modelación de la intrusión patógena a través de fallos y su implicación en la red de distribución de agua [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/11239

Los acuíferos costeros mediterráneos, en su mayoría, presentan un grado de explotación muy elevado, que ha dado lugar a la presencia de procesos de salinización por intrusión marina. Si bien el proceso de intrusión marina puede ser hidrodinámicamente muy complejo, puede asumirse que debe existir relación directa entre los caudales de descarga subterránea al mar y la intrusión marina. En los últimos años, propiciado por la entrada en vigor de la Directiva Marco del Agua (UE-DMA, 2000; UE-DMA,2006), están proliferando los estudios referidos a la gestión y uso sostenible de las aguas subterráneas (IGME - UJI, 2009b; Gómez et al., 2012; Meléndez et al., 2012). Dichos informes tienden a definir y cuantificar las salidas subterráneas al mar de los acuíferos costeros y presentan propuestas metodológicas interesantes para su determinación. Pero es sabido que el caudal subterráneo de salida al mar es el resultado de todas las acciones llevadas a cabo en un acuífero; por tanto, la contención de la intrusión marina no debería centrarse exclusivamente en determinar el caudal de salida sino en cuantificar, y rectificar en la medida de lo posible, las acciones desencadenantes del problema. En esta tesis se propone una nueva metodología para determinar el volumen ecológico de remediación (VER), definido como el volumen en que hay que reducir los bombeos en un acuífero o sector del mismo para que la recuperación piezométrica alcanzada comporte una intrusión menor o igual a la estimada en régimen natural para el sistema (intrusión de referencia). La metodología propuesta para el cálculo del VER parte de un modelo matemático de flujo de densidad constante calibrado en régimen estacionario. Consiste en reducir de forma iterativa los bombeos involucrados en el proceso de intrusión, hasta que la superficie piezométrica obtenida sea menor o igual a la intrusión estimada en régimen natural para el sistema (intrusión de referencia). Para su aplicación se propone seguir los siguientes pasos: FASE 1: Simular la situación del sistema en régimen natural para conocer la intrusión de referencia. Al modelo resultante se le denominará modelo de referencia en régimen natural (modelo RN). FASE 2: Delimitar las áreas afectadas por la intrusión marina e intentar disminuir su superficie mediante la reducción iterativa de los bombeos involucrados en el proceso, hasta que la superficie piezométrica obtenida presente una intrusión igual o menor a la estimada en régimen natural. El modelo de partida en esta fase se denominará modelo base en régimen influenciado (modelo RI). FASE 3: Cálculo del VER a partir del modelo RI y del último escenario contemplado en la Fase 2 (el que se asocia a una intrusión igual o menor a la estimada en régimen natural) El volumen ecológico de remediación (VER) se puede calcular para años húmedos (VERh), medios (VERm) y secos (VERs). La aplicación de esta metodología en la Plana de Oropesa – Torreblanca (MASub 080.110) pone de manifiesto que el avance en la intrusión marina (respecto a la existente en régimen natural), en cualquiera de los tres casos (año húmedo, medio o seco) es debida principalmente a la acción de los bombeos. En término medio, en los años húmedos el sector afectado por el avance de la intrusión es el Sur y el VERh correspondiente es de 1 hm3/año. En los años medios, el VERm es de 1,6 hm3/año y el proceso afecta únicamente al sector Sur. En los años secos el proceso afecta al sector Sur y al sector Central; en este caso el VERs sería de 2,8 y 0,9 hm3/año para cada sector respectivamente. Previamente a la aplicación de la metodología propuesta a la Plana de Oropesa - Torreblanca (MASub 080.110), ha sido necesario profundizar en el conocimiento de las características del acuífero y su funcionamiento. En cuanto a la intrusión marina de la Plana, la evolución del proceso y su situación actual se han estudiado a partir de la información recogida en las redes de control de intrusión y calidad de la Confederación Hidrográfica del Júcar (CHJ, www.chj.es). Se ha aplicado una metodología para valorar los impactos y la vulnerabilidad del sistema frente a la intrusión (índice SITE), concluyéndose que, a finales del siglo XX, el proceso afectaba a la totalidad del acuífero y la presión debida a la intrusión se clasifica como alta. El desarrollo de un modelo matemático de flujo subterráneo (MODFLOW), para el periodo 1973 – 2009, ha permitido evaluar las acciones que afectan al sistema, calibrar los parámetros y acciones que lo conforman y observar la evolución de la piezometría a lo largo de la simulación. Al final del periodo considerado, año 2009, se estima que la intrusión, que durante el año 1993 llega a afectar a dos tercios de la franja costera con un caudal de entrada de 2,3 hm3/año, se concentra únicamente en el sector Sur y se cuantifica en 0,05 hm3/año. Se ha simulado un escenario futuro plausible (2010 – 2035), definido a partir de las ordenaciones urbanísticas proyectadas a corto y medio plazo en la zona: el Plan General de Ordenación Urbana 2009 (PGOU Torreblanca, 2009) dentro del cual se desarrolla el Programa de Actuación Integrada (PAI) Doña Blanca Golf y el PAI Marina d´Or Golf (en los términos municipales de Cabanes y Oropesa). Esto ha permitido valorar el impacto de los cambios del uso del suelo en la piezometría de la zona, observándose que a partir del año 2018 los niveles piezométricos por debajo del nivel del mar son inexistentes.

El Lago Budi es uno de los principales lagos de agua salobre de Chile por su importancia en la economía de la población aledaña a sus riberas y por su alta biodiversidad. Ubicado a 15 km del Océano Pacífico, su desagüe hacia el mar se da a través del río Budi. Sin embargo, la acción de la marea y el oleaje genera una barra de sedimentos en la boca de este último, la que permanece cerrada durante gran parte del año. La barra es removida artificialmente para evitar inundaciones en la ribera del lago, lo que altera la calidad de sus aguas debido a una corriente de densidad que se desarrolla por su lecho, asociada al ingreso de la marea. El principal efecto de esto, es una fuerte estratificación por salinidad en el lago Budi, la que impide, entre otras cosas, la llegada de oxígeno a las capas más profundas. Esto toma mayor relevancia si además se considera que, de acuerdo a estudios realizados en las últimas dos décadas, el Lago Budi estaría eutroficado. Mediciones de perfiles verticales de salinidad realizadas durante 2006 y 2007, confirmaron el ingreso de una corriente de densidad a través del río Budi, luego de la remoción de la barra. La modelación de la corriente de densidad fue llevada a cabo con el Software Mossem, el que fue modificado con este fin. Los parámetros característicos de la corriente fueron calibrados, presentando ésta un factor de mezcla y un coeficiente de arrastre iguales a 1.22 y 0.01, respectivamente. La validación de tales parámetros requiere de nuevas mediciones en el río y lago Budi, posteriores a la apertura de la barra. No obtante, las simulaciones reproducen los valores de salinidad en el lago. Junto con la corriente de densidad, se modeló el flujo de agua existente entre el lago y el mar. Los caudales de intercambio alcanzan magnitudes cercanas a los 130 [m3 /s] para la condición de llenado (alta marea) y de 150 [m3 /s] para la de vaciado (baja marea). La estratificación producida por el ingreso de la corriente de densidad, se mantuvo durante la primavera y parte del verano, viéndose destruida por los fuertes vientos de enero de 2007. La modelación eco-hidrodinámica del lago Budi fue realizada con los Software Dyresm y Caedym. Ésta permitió calibrar la velocidad y dirección del viento sobre el lago Budi, parámetros medidos por una estación meteorológica instalada en Pto. Saavedra, y del coeficiente de extinción de la luz. Los resultados muestran concentraciones de nutrientes en niveles de eutrofia para agua dulce, e indican la generación de una capa anóxica bajo la haloclina, la que se mantiene hasta producida la mezcla completa de la columna de agua. Diferentes escenarios de manejo de la barra fueron definidos, siendo modelada la condición hidrodinámica del lago Budi para cada uno. Los resultados indican que el manejo de la barra no sería fundamental en determinar el estado trófico del lago y que para un escenario de un canal con cota fija de fondo igual a 1.6 m, disminuirían los prolongados períodos de estratificación y anoxia de fondo en el lago. En esta situación podría ocurrir una cuña salina, la que ingresaría al lago para condiciones de alta probabilidad de ocurrencia. Por ello, junto con el canal se propone construir una compuerta de fondo en el río Budi, la que permita manejar el volumen y el tiempo durante el cual ingresa la cuña al lago.