Most coastal aquifers undergo seawater intrusion. Mitigating this risk depends on a sound knowledge of flow mechanisms, well located and constructed wells, an effective management, suitable policies and the desire to conserve the aquifer. To this end, a comprehensive geological model is essential. The single most important question that the geological model should address is the degree and nature of the connection of the aquifer to the sea. Differences in the connection explain why apparently similar coastal aquifers display very different salinitzation behavior. Some aquifers salinize with moderate pumping (eg. Tordera and Llobregat deltas) whereas others sustain large extractions with lower vulnerability to seawater intrusion (eg. Ter delta). However, the characterization of such a connection is not easy given the lack of onshore-offshore geological mapping potential pathways for seawater contamination. This thesis is focused on sequence stratigraphy, which is necessary to understand the onshore-offshore aquifer connection, thus modifying the classical hydrogeological conceptual models. The methodology of sequence stratigraphy offers a perspective of delta architecture based on geological controls and processes. Sequence stratigraphic concepts are used in Western Mediterranean deltas in addition to local factors, such as subsidence, uplift and the rate of sediment supply to account for differences in Pleistocene stratigraphic patterns and aquifer preservation. These local factors exert an influence over the shape, slope and thickness of aquifers. Together with the width of the continental shelf, the presence of submarine canyons, faults and thin prodelta layers conditions vulnerability to seawater intrusion. The Quaternary Mediterranean shelf is characterized by high-frequency depositional sequences mainly composed of large-scale regressive wedges with poor or poorly preserved transgressive to highstand intervals. Although the Llobregat delta is an anomaly, it serves as a paradigm of deltaic architecture because of its well preserved transgressive and highstand intervals. The well preserved coarse transgressive deposits are important from hydrogeological point of view. They act as aquifers with high lateral continuity from onshore to offshore providing paths for seawater intrusion.The excellent preservation in the Llobregat delta may be a consequence of Quaternary growth faults, which caused high accommodation space, limiting the action of wave and storm events. The identification of different seismic units and deformation features along the coast makes it possible to distinguish two main morpho-structural sectors. These sectors can be influenced by tectonic movements, which may be intensified by sediment supply changes.Detailed sedimentological, age and paleontological (foraminifera and ostracods) data display a cyclic vertical pattern of facies, including a high degree of reworked sediments. Available ages together with high sediment preservation due to constant subsidence and sediment supply during sea level rises allow us to establish a chronostratigraphic framework. The most significant and widespread erosion were interpreted as occurring during gradual sea-level falls with a frequency of 100 Kyr. glacial-interglacial cycles. However, most of the regressive deposits display complex internal architectures, which suggest the imprint of higher-frequency cycles. The stacking pattern of the modern Holocene delta is controlled by changes in the relative sea-level and in the sediment supply. Paleofloods frequencies controlled by climatic changes and intensified by anthropic activity caused an important progradational pulses in the Llobregat delta and the channel switching with the rapid abandonment of the delta lobes.

Ingeniero Civil / La agricultura constituye una de las principales actividades económicas en la región de Arica y Parinacota. El Valle de Azapa alberga el área agrícola más importante de la región con cerca de 3.000 [ha] cultivadas, y como ocurre en todo el norte del país, el factor limitante para el desarrollo de dicha actividad es el recurso hídrico. En diferentes estudios el déficit hídrico se ha estimado entre 250 y 500 [l/s], y a raíz de aquello se han observado descensos continuos de los niveles de los pozos por periodos de hasta 20 años. El objetivo de este trabajo fue realizar una caracterización de la cuenca del río San José para determinar el potencial de implementar un sistema de recarga artificial de acuíferos en el Valle de Azapa, como alternativa para mitigar el déficit hídrico de la zona. Luego de analizar preliminarmente los antecedentes, tanto de metodologías de recarga existentes como las características propias del valle, se determinó que la infiltración de las aguas del río San José mediante lagunas de infiltración, y la recarga de las aguas residuales de Arica mediante pozos serían alternativas factibles de implementar en este caso. Se estimó la disponibilidad hídrica del río San José en base a la estadística de caudales diarios de las estaciones de monitoreo Ausipar y San José en Bocatoma Azapa. Se encontró que considerar un caudal de diseño de 0,6 [m3/s] sería razonable, lo cual permitiría infiltrar en promedio 2,45 [hm3] anualmente y se requerirían 15,9 [ha] para hacerlo mediante lagunas. Sin embargo, se requiere una importante remoción sedimentos para evitar problemas de colmatación y existe el riesgo de contaminar el acuífero con arsénico por sus elevadas concentraciones en el agua superficial. Las aguas residuales presentan una disponibilidad de 864 [l/s] y para infiltrarlas requieren tratamiento terciario y elevar el caudal hasta el punto de inyección. Se identificaron dos sectores de adecuada permeabilidad para la recarga: uno en la parte baja del Valle entre los kilómetros 5 y 12 del Camino Azapa con un potencial de almacenamiento de 6,2 [hm3] y otro en la parte alta entre los kilómetros 18 y 30 con un potencial para almacenar 18,5 [hm3]. Así, un buen lugar de emplazamiento para la infiltración por lagunas sería entorno al kilómetro 30 cercano a la Bocatoma Azapa, mientras que la infiltración por pozos sería recomendable emplazarla entorno al kilómetro 12. La infiltración por pozos asoma como la alternativa más recomendable por el mayor caudal que podría ser recargado y el alto grado de seguridad respecto de su disponibilidad, a diferencia de la infiltración por lagunas donde sería necesario remover el arsénico y los sedimentos que arrastra el río San José, la disponibilidad de terreno es limitada, no hay certeza respecto de la disponibilidad de agua y las crecidas del río constituyen un riesgo importante para las obras hidráulicas. Finalmente cabe destacar que para implementar un proyecto de este tipo se requiere mejorar de manera importante tanto la cantidad como la calidad de la información de caudales y aumentar la cobertura de monitoreo de la calidad química de las aguas subterráneas.

Los recursos hídricos, como en toda ciudad, son de vital importancia tanto para el consumo humano como para las diversas actividades que se realizan en la zona. Para el caso de los distritos de la Yarada y los Palos, en Tacna, una forma de abastecimiento del recurso es mediante la obtención del mismo a través de los acuíferos, por ello es de gran importancia que se evite la contaminación de ellos. Sin embargo, actividades como la agricultura han ocasionado una demanda tan importante del recurso que hizo que a lo largo de estos años se llegue a pensar en la presencia de altos índices de nitrato, boro o hasta incluso agua salina (proveniente del mar), siendo componentes muy perjudiciales para las aguas dulces. Ante ello, se ve necesario hacer una evaluación de las vulnerabilidades en los acuíferos con el propósito de reconocer los niveles de contaminación que existe. Tal evaluación se obtiene de los resultados de los métodos GOD, DRASTIC y GALDIT, el cual consiste en la combinación de diferentes mapas aplicando procesamiento de los datos, imágenes satelitales y cartografía con el uso del sistema de información geográfica (SIG). Al aplicar a cada mapa que se obtiene un factor según el método que se aplica se llegan a obtener los 3 mapas de vulnerabilidad, el cual nos permite visualizar la representación en áreas del área de estudio. Una vez que se obtienen los mapas de vulnerabilidad, el análisis de los resultados indicará qué mapa con los métodos aplicados tendrá un mejor ajuste y si efectivamente evidencia o no regiones con alta vulnerabilidad en el área de estudio. Para las áreas que tengan altos valores de vulnerabilidad es necesario realizar diversas recomendaciones y brindar alternativas de solución con el propósito de mitigar a estos agentes externos que perjudican al acuífero.

Desde fines de los años 2000 se ha hecho más agudo el problema de la escasez de agua en la cuenca del río Ica. Los factores que causan esta situación son el fuerte crecimiento agroexportador, el crecimiento poblacional y los efectos del cambio climático. Asimismo, la política pública desde los años 90 ha promovido la inversión privada y la agro-exportación en la costa peruana; y es responsable en parte de la escasez de agua en Ica y deterioro de los acuíferos. Sin embargo, dado el problema, la capacidad de Estado para enfrentar la emergencia hídrica está relativamente neutralizada dentro de las relaciones de poder existentes en Ica; y presenta debilidad incluso para el cumplimiento de sus propias disposiciones como es el caso de la restricción a perforar nuevos pozos de agua a fin de garantizar la sostenibilidad de los acuíferos.

La Recàrrega Artificial d'aqüífers és una tècnica extremadamente poderosa per optimitzar la gestió dels recursos hídrics. De cara a eliminar actituds escèptiques respecte a la seva aplicabilitat en nombroses situacions, és essencial adquirir més coneixements sobre els conceptes quantitatius més importants. Un tema crític és el de la minimització de la colmatació en dispositius de recàrrega. Atesa la extraòrdinaria importància d'aquest problema, es va efectuar una intensa recerca bibliogràfica que permetés determinar els processos bàsics que tenen lloc en la colmatació de plantes de recàrrega. Això, juntament amb la informació de tipus tecnológic subministrada per gestors de plantes de recàrrega, ha permès proposar un model matemàtic conceptual que integra els processos principals: retenció de partícules en suspensió portades per l'aigua de recàrrega, precipitació de minerals, creixement bacterià, generació de gas y compactació. Amb l'ajuda dels codis ja existents, l'esmentat model fou posteriorment incorporat a un programa d'elements finits tridimensionals que és capaç de tractar els cinc processos citats. El programa ha estat aplicat a tres casos de laboratori i a un experiment de camp amb el fi d'establir la validesa del marc conceptual adoptat.Aquesta tesi descriu els aspectes principals del model, els seus fonaments teòrics, la implementació numèrica i l'aplicació als exemples citats. La varietat de condicions simulades i els resultats aconseguits confirmen que el programa pot reproduir de forma satisfactòria una ampli ventall de problemes de colmatació, entre les quals s'inclouen sistemes superficials (bassas) i profunds (pous), flux radial i vertical, transport reactiu multicomponent, i d'altres. Això demostra la utilitat del programa per integrar dades de naturalesa completament diferente. A pesar de les limitacions inherents a tota formulació matemàtica, la modelació integrada proporciona estimacions quantitatives del potencial colmatant. Consegüentment, pot ser considerada com a una eina bàsica per al disseny i gestió de plantes de recàrrega i, eventualment, amb un fi predictiu. / La Recarga Artificial de acuíferos es una técnica extremadamente poderosa para optimizar la gestión de los recursos hídricos. De cara a eliminar actitudes escépticas respecto a su aplicabilidad en numerosas situaciones, es esencial adquirir más conocimientos sobre los conceptos cuantitativos más importantes. Un tema crítico es el de la minimización de la colmatación en dispositivos de recarga. Dada la extraordinaria importancia de este problema, se efectuó una intensa búsqueda bibliográfica que permitiera determinar los procesos básicos que tienen lugar en la colmatación de plantas de recarga. Esto, junto con la información de tipo tecnológico suministrada por gestores de plantas de recarga, ha permitido proponer un modelo matemático conceptual que integra los procesos principales: retención de partículas en suspensión en el agua de recarga, precipitación de minerales, crecimiento bacteriano, generación de gas y compactación. Con la ayuda de códigos ya existentes, dicho modelo fue posteriormente incorporado en un programa de elementos finitos tridimensional que es capaz de tratar los cinco procesos citados. El programa ha sido aplicado a tres casos de laboratorio y a un experimento de campo con el fin de establecer la validez del marco conceptual adoptado.Esta tesis describe los aspectos principales del modelo, sus fundamentos teóricos, la implementación numérica y la aplicación a los ejemplos citados. La variedad de condiciones simuladas y los resultados logrados confirman que el programa puede reproducir de forma satisfactoria una amplia gama de problemas de colmatación, entre las que se incluyen sistemas superficiales (balsas) y profundos (pozos), flujo radial y vertical, transporte reactivo multicomponente, y otros. Esto demuestra la utilidad del programa para integrar datos de naturaleza completamente diferente. A pesar de las limitaciones inherentes a toda formulación matemática, la modelación integrada proporciona estimaciones cuantitativas del potencial colmatante. Por consiguiente, puede ser considerada como una herramienta básica de cara al diseño y gestión de plantas de recarga y, eventualmente, de cara a la predicción. / Artificial Recharge of groundwater is an extremely powerful technique to optimise the management of water resources. In order to eliminate sceptical misconceptions concerning its applicability to numerous situations, it is essential to gain insight into the fundamental quantitative concepts. A critical point is the minimisation of clogging of the recharge device. Given the extraordinary importance of this problem, an intensive bibliographic research was conducted to determine the basic processes underlying the clogging of recharge plants. This, in combination with technological information supplied by Artificial Recharge operators, allowed to propose a conceptual mathematical model that could integrate the main processes. Attachment of suspended solids carried by recharge water, mineral precipitation, bacterial growth, gas binding and compaction of the upper soil layer were found to be determinant in clogging development. Based on existing investigation codes, such model was implemented into a three-dimensional finite element code that is able to cope with the referred mechanisms. The code was applied to three laboratory cases and to one field experiment in order to assess the validity of the adopted framework.This thesis includes the main concepts of the model, its theoretical background, numerical implementation and the application to the referred cases. The variety of simulated conditions and the results achieved with the model confirm that the code can reproduce successfully a wide range of clogging problems, including surface (basins) and deep (wells) systems, vertical and radial flow, multiphase transport and other options. This demonstrates the usefulness of the code to integrate data which are completely different in nature. In spite of the limitations inherent to all mathematical formulations, integrated modelling provides quantitative estimates of the clogging potential. Consequently, can be considered as a basic tool for design and management of recharge plants, and, eventually, for predictive purposes.

[EN] Investigations related to the comprehensive understanding of the relationship between surface and groundwater under the conjunctive water management of complex water resource systems requires establishing new tools and methods to jointly assess the natural processes of hydrological systems. When the water resources of a system with strong interaction of surface water and groundwater are evaluated, the approach in terms of conjunctive use is ideal for avoiding the duplication of resources in a simulated complex system. This thesis proposes a generic methodology for integrating models of aquifer into systems with conjunctive use, through efficient water exchange evaluation given in the river-aquifer interactions, with intensive interaction of surface water and groundwater. The main objective of this thesis is to propose a useful methodology for integrating aquifers into systems with conjunctive use, efficiently evaluating the flow exchange between surface and ground massess of a basin. The specific objectives are: (i) review and summarize the state of the art of the methodologies used to assess the river-aquifer relationships into models with conjunctive use; (ii) develop a generic methodology of conjunctive water resource management in complex basins; (iii) adapt a tool for estimating surface and groundwater flow contributions; (iv) implementing a mathematical routine for evaluating nonlinear boundary conditions (in terms of the Eigenvalues technique); (v) implement a tool of approximation of hydrogeological parameters for aquifers integrated on conjunctive use systems; (vi) integrate and apply different techniques, methods and tools in the evaluation of case studies; (vii) evaluate the regionalized effect of climate change on groundwater masses of the aquifer model of the main case study. The implementation methodology considers the following aspects: i. Avoid duplication of resources, conjunctively getting surface and infiltration contributions in the same hydrological model. ii. Propose and validate the operation of an assessment tool to evaluate the interchange flow given into river-aquifer interactions, through the efficient evaluation of nonlinear boundary conditions. iii. Propose a tool to generate and evaluate hydrogeological parameters for its use in models of Eigenvalues aquifers. iv. Propose and evaluate a particular methodology for analyzing the regionalized impact of climate change on groundwater masses on the case study aquifer. On this thesis auxiliary tools were implemented for modeling and simulating the conjunctive water resources in a complex basin such as the case study: the Duero River Basin, Spain. The results of implementing the methodology, tools and specific methods on a complex case study were satisfactory, to achieve the validation of the methodology and adaptations of pre-existing tools and methods. The use of semi-distributed and conceptual rainfall-runoff models allow to selectively separate the components of surface flow and underground recharge into masses of a same water system, avoiding duplication in the evaluation of water resources. In particular, the contribution of the approximated numerical solutions have proven to be a powerful and efficient improvement proposal into the evaluation process of conjunctive water resources use in simple and complex aquifer models, demonstrated in the case studies of Beniardá- Polop and the Duero aquifers. The analysis of the regionalized impact of climate change on groundwater massesof the Duero Basin is associated with the impact on the average recharge obtained respect to the climate scenarios of the IPCC AR5 (RCP 4.5, 6.0 and 8.5, periods 2046-2065 and 2081-2100). / [ES] Las investigaciones que profundizan en el conocimiento integral de las relaciones entre el agua superficial y subterránea, en el marco de la gestión conjunta de recursos de sistemas hídricos complejos, requiere establecer nuevas herramientas y métodos que permitan evaluar conjuntamente los procesos naturales de sistemas hidrológicos. Cuando se evalúan los recursos hídricos de un sistema con interacción intensa de aguas superficiales y subterráneas, el enfoque de evaluación con carácter de uso conjunto es el ideal para evitar la duplicidad de recursos simulados en un sistema complejo. Esta tesis propone una metodología genérica para integrar modelos de acuífero en sistemas de uso conjunto, mediante la evaluación eficiente del intercambio de agua dado en las relaciones río-acuífero de un sistema con interacción intensiva de sus aguas superficiales y subterráneas. El objetivo principal de esta tesis es proponer una metodología útil para la integración de acuíferos en sistemas de uso conjunto, evaluando eficientemente el intercambio de flujo entre masas superficiales y subterráneas de una cuenca hidrológica. Los objetivos particulares son: (i) revisar y sintetizar el estado del arte sobre metodologías de evaluación de relaciones río-acuífero en modelos de uso conjunto; (ii) desarrollar una metodología genérica de evaluación conjunta de recursos hídricos en cuencas complejas; (iii) adecuar una herramienta de estimación de aportaciones superficiales y subterráneas; (iv) implementar una rutina matemática para la evaluación de condiciones de contorno no lineales (en términos de la técnica de Autovalores); (v) implementar una herramienta de aproximación de parámetros hidrogeológicos para acuíferos integrados en sistemas de uso conjunto; (vi) integrar y aplicar distintas técnicas, métodos y herramientas en la evaluación de casos de estudio; (vii) evaluar el efecto del cambio climático regionalizado sobre masas subterráneas del modelo de acuífero del caso de estudio principal. La implementación metodológica considera los siguientes aspectos: i. Evitar duplicidad de recursos, obteniendo conjuntamente aportaciones superficiales e infiltración en un mismo modelo hidrológico. ii. Proponer y validar el funcionamiento de una herramienta de evaluación del intercambio de flujo por relaciones río-acuífero, mediante la evaluación eficiente de condiciones de contorno no lineales. iii. Proponer una herramienta para generar y evaluar parámetros hidrogeológicos para su uso en modelos de acuífero por Autovalores. iv. Proponer y evaluar una metodología particular para analizar el impacto del cambio climático regionalizado sobre las masas subterráneas del acuífero del caso de estudio. En esta tesis se implementaron herramientas auxiliares para la modelación y simulación conjunta de recursos hídricos de una cuenca compleja, caso de estudio: Cuenca hidrológica del Río Duero, España. Los resultados de implementar la metodología, sus herramientas y métodos particulares sobre un caso de estudio complejo han sido satisfactorios, al lograr validar la metodología y las adecuaciones sobre herramientas y métodos pre-existentes. El uso de modelos lluvia escorrentía de tipo conceptual y semi-distribuido permite la separación de las componentes de flujo superficial y la recarga selectiva a masas subterráneas del mismo sistema hidrológico, evitando duplicidad en la evaluación del recurso hídrico. En particular, el aporte de las soluciones numéricas aproximadas han demostrado ser una propuesta potente y mejora eficiente del proceso de evaluación del uso conjunto de recursos hídricos en modelos de acuífero sencillos y complejos, demostrado en los casos de estudio del Acuífero Beniardá-Polop y el Acuífero del Duero. El análisis del impacto de cambio climático regionalizado sobre masas subterráneas del Duero está asociado al impacto sobre el valor medio de recarga para los escenario / [CA] Les investigacions que profundisen en el coneiximent integral de les relacions entre l'aigua superficial i subterranea, en el marc de la gestio conjunta de recursos de sistemes hídricos complexos, requerix establir noves ferramentes i metodos que permeten evaluar conjuntament els processos naturals de sistemes hidrologics. Quan s'evalüen els recursos hídricos d'un sistema en interaccio intensa d'aigües superficials i subterranees, l'enfocament d'evaluacio en caracter d'us conjunt es l'ideal per a evitar la duplicitat de recursos simulats en un sistema complex. Esta tesis propon una metodologia generica per a integrar models d'acuífero en sistemes d'us conjunt, mediant l'evaluacio eficient de l'intercanvi d'aigua donat en les relacions riu-acuífero d'un sistema en interaccio intensiva de les seues aigües superficials i subterranees. L'objectiu principal d'esta tesis es propondre una metodologia util per a l'integracio d'acuíferos en sistemes d'us conjunt, evaluant eficientment l'intercanvi de decorriment entre masses superficials i subterranees d'una conca hidrologica. Els objectius particulars son: (i) revisar i sintetisar l'estat de l'art sobre metodologies d'evaluacio de relacions riu-acuífero en models d'us conjunt; (ii) desenrollar una metodologia generica d'evaluacio conjunta de recursos hídricos en conques complexes; (iii) adequar una ferramenta d'estima d'aportaments superficials i subterranees; (iv) implementar una rutina matematica per a l'evaluacio de condicions de rodalia no llinials (en termens de la tecnica d'Autovalores); (v) implementar una ferramenta d'aproximacio de parametros hidrogeológicos per a acuíferos integrats en sistemes d'us conjunt; (vi) integrar i aplicar distintes tecniques, metodos i ferramentes en l'evaluacio de casos d'estudi; (vii) evaluar l'efecte del canvi climatic regionalisat sobre masses subterranees del model d'acuífero del cas d'estudi principal. L' implementación metodologica considera els següents aspectes: i. Evitar duplicitat de recursos, obtenint conjuntament aportaments superficials i infiltracio en un mateix model hidrologic. II. Propondre i validar el funcionament d'una ferramenta d'evaluacio de l'intercanvi de decorriment per relacions riu-acuífero, mediant l'evaluacio eficient de condicions de rodalia no llinials. III. Propondre una ferramenta per a generar i evaluar parametros hidrogeológicos per al seu us en models d'acuíferos per Autovalores. IV. Propondre i evaluar una metodologia particular per a analisar l'impacte del canvi climatic regionalisat sobre les masses subterranees de l'acuífero del cas d'estudi. En esta tesis se implementaron ferramentes auxiliars per a la modelación i simulación conjunta de recursos hídricos d'una conca complexa, cas d'estudi: Conca hidrologica del Riu Duero, Espanya. Els resultats d'implementar la metodologia, les seues ferramentes i metodos particulars sobre un cas d'estudi complex han segut satisfaents, al conseguir validar la metodologia i les adequacions sobre ferramentes i metodos pre-existents. L'us de models pluja escorrentía de tipo conceptual i semi-distribuit permet la separacio de les components de decorriment superficial i la recarrega selectiva a masses subterranees del mateix sistema hidrologic, evitant duplicitat en l'evaluacio del recurs hídrico. En particular, l'aporte de les solucions numeriques aproximades han demostrat ser una proposta potent i millor eficient del proces d'evaluacio de l'us conjunt de recursos hídricos en models d'acuífero senzills i complexos, demostrat en els casos d'estudi de l'acuífero Beniardá-Polop i l'acuífero del Duero. L'analisis de l'impacte de canvi climatic regionalisat sobre masses subterranees del Duero està associat a l'impacte sobre el valor mig de recarrega per als escenaris climatics de l'AR5 de l'IPCC (RCP 4.5, 6.0 i 8.5, de Periodos 2046-2065 i 2081-2100). / Hernández Hernández, MA. (2015). Metodología de integración de modelos de acuífero en sistemas de uso conjunto, mediante la evaluación eficiente de condiciones de contorno no lineales presentes en relaciones río-acuífero [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59448