COMPLETAMIENTO
DE SERIES TEMPORALES DE NIVELES FREÁTICOS EN UN ÁREA DEPRIMIDA DE LA LLANURA
BONAERENSE
COMPLETATION OF
TIME SERIES OF WATER TABLE LEVELS IN A FLATLAND AREA OF THE BUENOS AIRES
PROVINCE
Erik Zimmermann(1)(2)
(1)Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería
y Agrimensura, Universidad Nacional de Rosario. Rosario. Santa Fe. Argentina
(2)Consejo
Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. CONICET, Argentina.
e_mail: erikz@fceia.unr.edu.ar
RESUMEN
Se presenta como
objetivo el completamiento de registros temporales de niveles freáticos someros
en un sector deprimido perteneciente a la cuenca del Arroyo del Azul (provincia
de Buenos Aires), en el marco de una modelación matemática de la hidrología subterránea.
Los registros completados conforman la condición de contorno aguas arriba del
dominio de modelación. Se contemplaron diferentes series temporales para
correlacionarlas con los niveles freáticos: a) anomalías acumuladas de
precipitación, b) anomalías gravimétricas (misión satelital GRACE) y c)
anomalías acumuladas hidrológicas (diferencia entre la precipitación y la
evapotranspiración potencial). De los seis pozos freatimétricos seleccionados
para el análisis y para el período donde se presentan las series en forma
completa (oct 2014- abr 2016) se deduce que las anomalías de precipitación (a)
presentan los coeficientes de correlación r más bajos y fue descartada
como serie análoga. Las anomalías gravimétricas mensuales (b), Gravity Recovery
and Climate Experiment (GRACE) misión conjunta de la NASA y el Centro
Aeroespacial Alemán (DLR) presentaron correlaciones buenas, con valores de r
entre 0.624 y 0.798, aunque la serie suministrada se discontinúa desde 2017.
Las anomalías hidrológicas acumuladas, que fueron calculadas a escala diaria y retrasadas
respecto los niveles un lag semanal para mejorar las regresiones,
presentaron correlaciones muy buenas, con r entre 0.861 y 0.894, fueron
las seleccionadas como serie análoga de completamiento. Considerando la mejor
disponibilidad de datos climáticos frente a los satelitales y en virtud de los
buenos resultados alcanzados se recomienda el uso de esta metodología en
sectores de niveles freáticos someros donde el proceso de evaporación puede
considerarse una componente hidrológica de importancia.
Palabras clave: completamiento
de series temporales, anomalías gravimétricas, anomalías hidrológicas
ABSTRACT
The objective is to complete temporary records of shallow water tables
in a depressed sector belonging to the Azul river basin (province of Buenos
Aires), within the framework of a groundwater mathematical modelling. The
completed records make up the upstream boundary condition of the fluxes in the domain.
Different time series were considered to correlate them with the water table levels:
a) accumulated precipitation anomalies, b) gravimetric anomalies (GRACE
satellite mission) and c) accumulated hydrological anomalies (difference
between precipitation and potential evapotranspiration). From the six wells
selected for the analysis and for the period where the series have completed
records (Oct 2014-Apr 2016) it can be deduced that the precipitation anomalies
(a) present the lowest correlation coefficients r and it was discarded
as analog series. The monthly gravimetric anomalies (b), Gravity Recovery and
Climate Experiment (GRACE) joint mission of NASA and the German Aerospace
Center (DLR) showed good correlations, with values of r ranged between
0.624 and 0.798, although the series support has been discontinued since 2017.
The accumulated hydrological anomalies, which were calculated on a daily scale
and lagged with respect to the water levels by a weekly lag to improve the
regressions, presented very good correlations, with r ranged between
0.861 and 0.894, and were selected as an analog completion series. Considering
the better availability of climatic data compared to satellite data and good
results achieved, the use of this methodology is recommended in sectors with
shallow groundwater levels where the evaporation process can be considered an
important hydrological component.
Keywords:
completion of time series, gravimetric anomalies, hydrological anomalies
INTRODUCCIÓN
El trabajo se plantea
en el marco de una modelación matemática de la hidrología subterránea con el
fin de conceptualizar los principales procesos hidrológicos que se verifican en
la zona de estudio propuesta.
El área de estudio se focaliza en la
cuenca del arroyo del Azul, se ubica en la zona central de la provincia de
Buenos Aires, entre los 58º 51' y 60º 10' de longitud oeste y 36º 09' y 37º 19'
de latitud sur (Figura 1).
Figura 1. Cuenca del arroyo del Azul.
La cuenca abarca una superficie de 6237
km² y como formas destacables se reconocen un sub-ambiente serrano hacia el sur
de la cuenca con altitudes por sobre los 200 msnm (pendiente media del terreno
del 5 %), y un sub-ambiente de llanura hacia el norte, por debajo de los 130
msnm (con pendientes que varían entre 0.5 y 0.1 %), con una zona de transición
entre ambos, caracterizada por suaves ondulaciones (Fajardo y Entraigas, 2017).
En el sector más bajo, sumamente llano,
con sus suelos nátricos y drenaje deficiente, se desarrolla principalmente la
cría ganadera extensiva en una matriz de pastizales naturales interrumpida por
las numerosas cubetas y lagunas de carácter mayoritariamente semi-permanente y
por dunas parabólicas y longitudinales.
Desde el punto de
vista hidrológico, lo más notable del comportamiento del agua en cuencas tan
deprimidas como la del Azul es la acumulación del agua sobre la superficie, y
la interacción que se establece entre las aguas superficiales y las
subterráneas, conformando un Sistema Hidrológico No Típico.
Específicamente se ha concentrado el
interés en la modelación de los sectores más deprimidos de la cuenca (Figura
2).
Figura 2. Cuenca del
arroyo del Azul y área de interés para la modelación.
CONDICIONES DE CONTORNO DE LA MODELACIÓN
El dominio de modelación consistió en un
rectángulo de 24 km en dirección SO-NE y 29 km en dirección NO-SE, el que se
encuentra en su mayor parte incluido en la cuenca superficial del arroyo del
Azul (Figura 2), que incluyen los pozos de observación de niveles freáticos y
se encuentra intersectada por la ruta nacional N° 3. La grilla de
discretización fue subdividida en elementos cuadrados de 1 km de lado (Figura
3), totalizando 696 celdas (24 filas, 29 columnas).
El dominio de modelación se encuentra en
un sector de interfluvio de cuencas superficiales por lo que resultó
dificultoso establecer condiciones de borde. Las isofreáticas construidas para
distintos momentos de mediciones sí manifestaron un patrón de flujo repetitivo,
orientado hacia el NE, lo que permitió establecer hipótesis de contornos de no
flujo en los laterales. En los contornos aguas arriba y aguas abajo se
propusieron condiciones de niveles y flujos preestablecidos, respectivamente (Figura
3). La elección de las condiciones de contorno de los bordes SO y NE surgió en
función de la información disponible. El borde SO cuenta con registros freatimétricos
históricos en muchos pozos de ese frente. Complementariamente se consideró la
condición de control de flujos regionales en el borde opuesto (NE) hacia el río
Salado.
Figura 3.
Grilla de modelación propuesta, pozos de observación de niveles freáticos y
condiciones de borde.
PROCESAMIENTO DE LOS NIVELES FREÁTICOS
AGUAS ARRIBA
Los registros históricos de niveles
freáticos en el frente SO fueron discontinuos temporalmente y abarcan pocas
celdas representativas. Son nueve pozos en los 29 km del frente con registros
mensuales desde octubre de 2014 hasta mediados de 2018, con prácticamente un
año (abril 2016 a marzo 2017) de discontinuidad.
El período de simulación del modelo se
propuso en función de la información disponible entre octubre de 2014 a abril
de 2018, en total 42 meses.
En principio, dada la
importancia de contar con un registro continuo de niveles en la condición de
borde, se propuso completar la serie de registros discontinuos mediante
correlaciones con patrones análogos, y tras una selección previa, se
consideraron las anomalías de precipitación y de gravedad (misión GRACE).
Las anomalías de precipitación se refieren
a las diferencias de lluvia mensual respecto a la media del período analizado,
posteriormente en forma acumulada.
Respecto a las
anomalías de gravedad, la Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) fue
una misión conjunta de la NASA y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). Los
satélites gemelos tomaron medidas detalladas de las anomalías del campo
gravitatorio de la Tierra desde su lanzamiento en marzo de 2002 hasta el final
de su misión científica en octubre de 2017. Al medir las anomalías de la
gravedad, GRACE mostró cómo la masa se distribuye alrededor del planeta y cómo
varía con el tiempo. Los productos del satélite estiman cambios en la masa en
unidades de espesor equivalente de agua líquida. Si bien las mediciones están
afectadas por grandes masas de agua se analizó la posibilidad de correlacionar
las anomalías de gravedad con los niveles freáticos observados en el sector de
estudio.
El análisis se correlaciones se realizó en
9 pozos del frente SO (camino a la vieja estación de FFCC Shaw),
representativos de 4 celdas de modelación (674, 681, 682, 684 – Figura 4).
Figura 4. Pozos freatimétricos y
celdas de modelación
Para construir las anomalías de
precipitación, se contó con datos diarios de las estaciones Azul (Aeródromo) y
la estación SHAW (ex FFCC). La primera distante unos 27 km del sector pero
considerada estación de confianza y la segunda ubicada prácticamente en el
sector. Se contó con información de evapotranspiración estimada y con un
balance hidrológico en el área de La Baguala (Varni y Custodio, 2013; Vercelli
et al., 2019), ubicada en el interior del dominio de modelación.
El planteo inicial consistió en la
estimación de anomalías de precipitación con información agregada mensualmente,
considerando algunos registros de pozos y su contraste gráfico.
Las profundidades freáticas en el área se
dan someramente (en algunos pozos alrededor del metro o menos), lo que pone de
manifiesto que la evapotranspiración constituiría una componente de
importancia, por lo que se analizaron anomalías de las diferencias entre
precipitación (P) y evapotranspiración potencial (ETo), denominadas anomalías
hidrológicas. Los valores de ETo fueron estimados mediante método de Penman-Monteith
por Varni y Custodio (2013). Como se observa en la Figura 5 las anomalías hidrológicas
reflejan mucho mejor los patrones temporales de niveles freáticos.
En términos de coeficiente de correlación
las anomalías de P presentaron un r promedio de 0.14 mientras que las de
P-ETo un r medio de 0.58 en la totalidad de los pozos considerados para
el período completo. Si se analiza el último período continuo de datos (marzo
2017 – abril 2018) el coeficiente de correlación promedio para la totalidad de
los pozos alcanza del valor de 0.82 para las anomalías hidrológicas. Por esta
razón se consideraron solamente éstas últimas anomalías descartando las de
precipitación.
Figura 5.
Niveles freáticos en pozos considerados y anomalías de P y de P-ETo
Paralelamente se obtuvieron los valores de
las anomalías gravimétricas que están disponibles en períodos mensuales. Se
extractaron datos desde octubre de 2014 a enero de 2017 (28 meses). Para el
análisis de las correlaciones se consideraron 15 meses en donde la información
de las anomalías gravimétricas e hidrológicas (P-ETo) cuentan con información
de freatrimetría que van desde octubre de 2014 a abril de 2016 (con 4 meses
faltantes).
Las anomalías hidrológicas se estimaron
también en forma diaria, desplazando las series hasta unas tres semanas, es
decir, lags entre 0 y19 días, previendo un retardo en la reacción de los
niveles respecto a las variables climáticas, analizando las correlaciones entre
las series. En la Figura 6 puede observarse que los máximos r se
observan para lags 7 días y 12 días, siendo mayores en el conjunto para el
retardo de una semana.
Figura 6. Correlaciones entre series
de niveles y anomalías hidrológicas desplazadas temporalmente.
De los 9 pozos con información
freatimétrica del camino Shaw se seleccionaron 6 que son los que tienen menor
interrupción de registros. La Tabla 1 muestra los coeficientes de correlación
para cada metodología. Las anomalías hidrológicas se consideraron desplazadas
en una semana.
Adicionalmente se consideró una regresión
múltiple con ambas anomalías. Puede observarse que no aportó demasiada ventaja
la regresión múltiple. Posteriormente se detectó que existe una correlación
importante entre ambas anomalías (r = 0.793, Figura 7).Los ajustes
alcanzados por las metodologías mencionadas se muestran en la Figura 8.
Tabla 1.
Coeficientes de correlación entre anomalías y niveles freáticos de los pozos seleccionados
|
Anomalías
Pozos
|
Hidrológicas
|
Gravimétricas
|
Ambas
|
|
Peladar
Soler
|
0.893
|
0.794
|
0.905
|
|
Loma
Soler
|
0.894
|
0.798
|
0.909
|
|
Lunette
|
0.861
|
0.624
|
0.834
|
|
Matriz
Pajonal
|
0.846
|
0.668
|
0.835
|
|
Cubeta
Pajonal
|
0.881
|
0.748
|
0.885
|
|
Alambrado
Pajonal
|
0.887
|
0.702
|
0.880
|
Figura7.Correlación
entre anomalías gravimétricas e hidrológicas
Considerando que la correlación con las
anomalías hidrológicas es mayor y además representa un modelo simple y fácil de
construir con datos climáticos (generalmente accesibles) se optó por
considerarla como metodología de completamiento temporal de los registros
freatimétricos.
Figura 8.
Ajustes entre pronósticos de niveles freáticos mediante anomalías hidrológicas
(línea continua verde), anomalías gravitacionales (línea continua roja), ambas
anomalías (línea continua negra) y niveles registrados (triángulos negros)
CONCLUSIONES
Se presenta como
objetivo el completamiento de registros temporales de niveles freáticos someros
en un sector deprimido perteneciente a la cuenca del Arroyo del Azul, provincia
de Buenos Aires. Para ello, se han contemplado diferentes series temporales
para correlacionarlas con los niveles: a) anomalías acumuladas de
precipitación, b) anomalías gravimétricas (misión satelital GRACE) y c)
anomalías acumuladas hidrológicas (diferencia entre la precipitación y la
evapotranspiración potencial). De los seis pozos freatimétricos seleccionados
para el análisis y para el período donde se presentan las series en forma
completa (oct 2014- abr 2016) se deduce que las anomalías de precipitación (a)
presentan los coeficientes de correlación r más bajos y fue descartada
como serie análoga. Las anomalías gravimétricas (b) presentaron correlaciones
buenas, aunque la serie suministrada se discontinúa desde 2017. Las anomalías
hidrológicas acumuladas, que fueron estimadas a escala diaria y regresadas
linealmente con los niveles mediante un retardo semanal, presentaron
correlaciones muy buenas y fueron las seleccionadas como serie análoga de
completamiento. Considerando la mejor disponibilidad de datos climáticos frente
a los satelitales y en virtud de los buenos resultados alcanzados se recomienda
el uso de esta metodología en sectores de niveles freáticos someros donde el
proceso de evaporación puede considerarse una componente hidrológica de
importancia.
REFERENCIAS
Fajardo
L. y Entraigas, I. (2017). Conectividad hidrológica en un sistema
hidrológico no típico. Caso del sector llano de la cuenca del Arroyo del Azul.
Informe de avance beca doctoral CIC. IHLLA. Azul. Argentina.
Varni,
M. y Custodio, E. (2013). Evaluación de la recarga al acuífero del Azul: 1.
Análisis de las características climáticas. VIII Congreso Hidrogeológico
Argentino y VI Seminario Hispano Latinoamericano sobre temas actuales de
hidrología subterránea. La Plata. Argentina.
Vercelli,
N.; Varni, M; Lara, B.; Entraigas, I. y Ares, G. (2019). Linking
soil water balance with flood spatial arrangement in an extremely flat
landscape. Hydrological Processes 34(1), 21-32. DOI: 10.1002/hyp.13567.
REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
Zimmermann, E. (2020) Completamiento de series temporales
de niveles freáticos en un área deprimida de la llanura bonaerense. Cuadernos del CURIHAM. 26:55-61. doi: 10.35305/curiham.v26i0.148
Tipo de Publicación: NOTA TÉCNICA.
Trabajo recibido el 02/09/2020 y aprobado
para su publicación el 06/10/2020.