1 INRODUCCIN

En Costa Rica para el 2008 se contaba con un total de 16,534 pozos registrados, el caudal asociado a estos pozos era de 46,476 l/s. El 79% de los pozos se con-centra en 5 de las 34 cuencas del pas, de lo cual el 17.1% corresponde a los registrados en la pennsula de Nicoya, dichos pozos pertenecen a los inscritos ante el Servicio Nacional de Aguas Subterrneas, Riego y Avenamiento (SENARA) y el Ministerio de ambiente, energa y telecomunicaciones (MINAET), pero se es-tima que solo es el 20% de la totalidad de los pozos en Costa Rica (Adamson, 2010).

La falta de planificacin del desarrollo turstico y urbanstico de la provincia de Guanacaste, mas el in-cremento del uso de servicios bsicos, han desatado una serie de conflictos por el acceso al recurso agua en la zona de estudio. Al no existir dentro del quehacer de las municipalidades y de las instituciones pblicas del Estado, los instrumentos para una adecuada ges-tin del recurso hdrico, as como la falta de control sobre el uso y manejo del mismo, da a da se ha veni-do gestando conflictos por los intereses de los distin-tos usuarios (Matamoros, 2003). La cuenca del Ro Nimboyores se encuentra ubicada en la zona noroeste de Costa Rica, en el litoral Pacfico de la Pennsula de Nicoya, en la provincia de Guanacaste (Fig. 1).

Modelacin Hidrogeolgica del Acufero Nimboyores, Guanacaste, Costa Rica Utilizando Modflow Premium 2010

M.A. Garca* Universidad de Costa Rica, San Jos, Costa Rica

* Email de correspondencia: mario3garcia@gmail.com

RESUMEN: Los objetivos fueron: realizar el modelo conceptual y numerico del acufero, determinar el efecto hidrogeolgico en tres escenarios de simulacin y establecer zonas preferenciales de extraccin. La metodologa consisti en definir las unidades estratigrficas y litologcas, determinar la recarga potencial, definir la geometra, cuantificar la explotacin, analizar histricamente el nivel fretico, calcular propiedades hidrodinmicas del acufero y modelar tres escenarios: sequa extrema, proyecto turstico operando 3 pozos y zonas preferenciales de extraccin. Se determin un acufero libre coluvio-aluvial, se calcul una explotacin de 8.2 MMC/ao, se observaron espesores entre 10 y 20 m, la recarga es por flujo lateral y precipitacin. En el 1er. escenario el almacenamiento es 843,95 MMC/ao, y profundidades del nivel fretico mayores a 16 m. En el 2do. escenario con 3 pozos provocarn descensos en pozos situados aguas abajo, y el 3er. escenario se encontro 2 zonas de extracion que no afectan el entorno exitentente.

PALABRAS CLAVE: Modelo numrico, balance hdrico, litologa, Escenarios, pozos.

ABSTRACT: The objectives were: perform the conceptual and numerical model of the aquifer, determine the hydrogeological effect in three simulation scenarios and establish preferential zones extraction wells. The methodology consisted to define the stratigraphic and lithologic units, determine potential recharge aquifer, define the geometry of the aquifer, quantifying the exploitation, analyze historical variation of phreatic level, calculate hydrodynamic properties of the aquifer and model three scenarios: extreme drought, tourism project with operation of 3 wells and extraction of preferential areas. The results showed a colluvial-alluvial unconfi-ned aquifer, the calculation performed showed a precipitation of 8.2 MCM/year, the aquifer thickness is bet-ween 10 and 20 m, recharge is by precipitation. In the 1st. scenario the storage is 843.95 MCM/year and late-ral flow and phreatic level depths greater than 16 m. In the 2nd. scenario with 3 wells, will cause decreases level water, in wells downstream, and 3rd. scenario, were found 2 extraction areas that do not affect existing environment.

KEYWORDS: Numerical model, water balance, lithology, scenarios, well.

Figura 1. Ubicacin Cuenca Nimboyores.

El rea de la cuenca es 103.6 km2 y est compuesta por los ros Nimboyores, Limn y Barba Viejo. En Guanacaste los niveles de explotacin de aguas sub-terrneas se ven afectados por periodos secos de seis meses de duracin, lo que coincide con el periodo de mayor demanda turstica; a su vez, el crecimiento des-controlado de los asentamientos urbanos, la explota-cin excesiva de acuferos y el uso inadecuado del suelo en algunas reas ha afectado la disponibilidad de agua en cantidad y continuidad (Jirn, 2000). Debido a conflictos por el uso del recurso hdrico en la zona, surge la necesidad de conocer la dinmica del acufero a travs de un modelo numrico, basado en un modelo conceptual prestablecido. Con la informacin genera-da, los usuarios del acufero e instituciones vinculadas podrn tener una gestin integral del recurso hdrico. Entonces los objetivos de la investigacin se definir-an en 3 requerimientos especficos de acuerdo a soli-citudes de nivel tcnico y social como lo son:

Realizar el modelo conceptual para el acufero de Nimboyores, a partir de la informacin geolgica-hidrogeolgica actualizada.

Modelar escenarios crticos de verano y sequa pro-longada por efectos del fenmeno del nio.

Establecer una zona preferencial de pozos de ex-traccin.

2 METODOLOGA

La metodologa consisti en:

1 Definir el rea de estudio, caracterizando de mane-ra general el acufero a travs de mapas geomor-folgicos, geolgicos, secciones geofsicas y/o su-madas a informacin de estudios predecesores.

2 Definir las unidades estratigrficas, su respectiva composicin litolgica regional y local, para elabo-rar cortes geolgicos, que brinden informacin so-bre forma y lmites del acufero. Realizar Sondeos Elctricos Verticales, definiendo los tipos de mate-riales y espesores de cada estrato del acufero.

3 Determinar el potencial hdrico de la cuenca, calcu-lando las entradas de agua al sistema a modelar, y recurriendo para ello a datos meteorolgicos reco-pilados como la precipitacin total media mensual de las estaciones Potrero, Cartagena, Beln, Hacienda Tempisque y Santa cruz.

4 Definir los principales usos del suelo en fotografas satelitales, realizar pruebas de infiltracin, consi-derndose valores de infiltracin realizadas por AYA (Instituto Costarricense de Acueductos y Al-cantarillados), SENARA y el CATIE (Centro Agronmico Tropical de Investigacin y Ensean-za).

5 Realizar el balance hdrico de suelos siguiendo la metodologa desarrollada por Schosinsky (2006), a fin de establecer la recarga potencial del acufero.

6 Realizar un inventario de pozos y estimar la explo-tacin del agua subterrnea por ao.

7 Analizar temporalmente la recarga y descarga del acufero, mediante histogramas histricos y actua-les de la variacin del nivel fretico comprendido entre septiembre del 2003 a mayo del 2011.

8 Estimar las propiedades hidrodinmicas del acufe-ro (transmisividad y conductividad hidrulica).

9 Definir la geometra del acufero en sus tres dimen-siones, extensin del modelo, y condiciones de frontera. Asignar parmetros hidrogeolgicos con-siderados en diferentes capas.

10 Comparar los valores de niveles freticos observa-dos y calculados y pronosticar el patrn de flujo del agua subterrnea, la interaccin de las aguas sub-terrneas y superficiales, y el efecto de bombeo con pozos sobre el terreno en diferentes escenarios.

3 RESULTADOS

En el rea de estudio se identificaron cinco unidades geolgicas locales, como la Unidad basaltos y radiola-ritas del Complejo de Nicoya, el intrusivo Potrero compuesto de gabros, la unidad de calcilutitas, la Uni-dad coluvio-aluvial Nimboyores. Se realizaron cortes en el acufero, presenciando en el corte A-A la se-cuencia sedimentolgica de coluvios aluviales grue-sos, volvindose finos en la parte superior del suelo con caracterstica limo arcilloso (Fig. 2). El corte B-B, muestra el predominio de materiales coluvio alu-viales finos, con presencia de materiales de grano me-dio a fino con intercalaciones de arena fina con limo y

arcilla. el corte C-C, mantiene la secuencia de mate-rial coluvio-aluvial grueso y fino, conformado por arenas finas y gruesas con gravas y cantos rodados con un nivel de arcillas y arenas finas con gravas. El corte D-D permite visualizar la secuencia sedimen-tolgica N-S paralela al ro Nimboyores, donde pre-domina intercalaciones de arcillas, arena fina a gruesa conteniendo gravas y cantos rodados, pasando despus a arena fina con gravas, arcilla, cantos rodados media-nos y la capa de cobertura vegetal. La profundidad del basamento rocoso en la parte baja de la cuenca se encuentra entre 35,0 y 50,0 m de profundidad.

Figura 2. Ubicacin cortes; A-A, B-B, C-C y D-D. Acufero Nimboyores. Basado en: mapa geolgico Denyer & Arias (1993).

Empleando informacin meteorolgica de estacio-nes ubicadas en Cartagena, Potrero y Santa Cruz, se caracterizo hidrolgicamente la cuenca, obtenindose una precipitacin total media anual de 1987 mm, la temperatura media anual de 28 C, en tanto que las horas de sol media anual es de 7.5 horas. Finalmente, la evapotranspiracin total anual, calculada es 1882 mm. Por otro lado, en la presente investigacin la cuenca se ha subdividido en funcin al uso predomi-nante del suelo, analizando fotografas areas propor-cionadas por el programa de regularizacin del catas-tro y registro a escala 1:25.000, tomadas entre febrero y marzo del 2007 identificando 4 usos de suelo. La capacidad de infiltracin del suelo se determin me-diante 25 ensayos tipo anillos concntricos o mtodo

de Mntz (Custodio & Llamas, 1983). Finalmente, pa-ra la determinacin de la recarga del acufero se em-ple la metodologa de Schosinsky (2001). Los resul-tados obtenidos en cada zona de uso de suelos, provee una recarga total al acufero de 38.6 MMC/ao; es de-cir 373 mm/ao (Tabla 1).

Tabla 1. Volumen de recarga por suelos Acufero Nimboyores. Uso del Suelo % Area en cuenca

Retencin Escorrenta ETR Rp

MMC/ao

rea urbana 2.2% 0.49 0.00 2.02 1.43

Cultivos 2.5% 0.73 3.11 2.07 0.01

Pastos 38.2% 1.06 18.45 40.59 16.53

Bosques 57.1% 22.15 10.88 56.08 20.67

TOTALES (M3/AO) 34.00 32.44 100.76 38.64

19% Precipitacin Anual /RECARGA POTENCIAL 373 mm/ao

Se determin que el acufero del ro Nimboyores es un acufero libre y est constituido principalmente por depsitos coluvio aluviales. Asimismo, el horizonte saturado se divide en dos; el primero es una capa con-formada por una matriz arcillosa limosa con arena grano grueso a fino y arcillas grises, seguido a mayor profundidad de un aluvin medio a grueso, con arenas, gravas y cantos con poca arcilla. La profundidad me-dia del basamento es de 35m. La explotacin del agua subterrnea en el rea de estudio vara entre 0,1 y 13 l/s, estimndose un total de 8.2 MMC/ao. La tasa de aprovechamiento subterrneo es mnima en el sector de Tempate con un valor de 688 m/ao, mientras que una mayor explotacin se da en el sector de Cartagena de 2.9 MMC/ao. Se obtuvieron los valores de trans-misividad y conductividad hidrulica entre 32.- 771 m2/da, y 1 - 207 m/da respectivamente.

De la variacin histrica del nivel fretico (9 aos), en histogramas (Sep. 2003 a Mayo 2011), se deter-min que el acufero presenta una variacin mnima de los niveles entre el periodo seco y lluvioso, con recuperacin y conservacin de su nivel esttico, al completar el ciclo, por lo que se presume que no existe sobre explotacion del sistema. Para ello se tomaron 14 pozos de registro continuo. Se considero la media mensual de los registros del nivel fretico, estableciendo el inicio de recarga en Mayo terminan-do en Noviembre. Se elabor un mapa de curvas iso-freticas para abril 2011, representando el inicio de la recarga con cargas hidrulicas entre 38 y 94 msnm. La orientacin del flujo es NO SE a la derecha del ro Nimboyores y en direccin NE-SO a la izquierda de los ros Nimboyores, Limn y Barba de Viejo (Fig. 3).

Figura 3. Variacin histrica del nivel esttico promedio. Acufe-ro Nimboyores.

El lmite impermeable lateral y en profundidad del acufero est constituido por la unidad del complejo Nicoya, conformada por gabros, basaltos y radiolari-tas. El basamento rocoso al NE se ubica a 35.0 m en el centro del valle. Conforme se desciende por la cuenca, se observa el relleno coluvio-aluvial, que aumenta en espesor, hallndose el basamento a 36.0 m y disminu-yendo en sus laterales hasta 14.9 m por la derecha y 23.8 m por la izquierda. Finalmente a la salida el acu-fero amplia su espesor, a una profundidad de 64.7 m. De este modo, en funcin al rgimen hidrolgico de la cuenca, y los lmites del acufero en estudio, se puede elaborar el modelo conceptual del acufero (Fig. 4). En la estratigrafa analizada se consideraron 3 capas con espesores y cotas definidas como constituyentes del acufero. Definido dicho modelo, se procedi a discre-tizar el modelo matemtico, empleando mallas de (x, y)=(150, 150) m, con un refinamiento de malla en el acufero (x, y)=(75, 75) m, dando un sistema con 110 filas y 100 columnas, y un total de 29670 celdas, de ellas 9480 celdas corresponden al acufero, cu-briendo una superficie de 53,3 Km2. Posteriormente, para el proceso de calibracin del modelo se hizo uso de las cargas hidrulicas correspondientes desde sep-tiembre del 2003 a Mayo del 2011 utilizando 14 pozos de observacin (Fig. 5). Se evalu el punto ms crtico (Abril del 2010), agregando una incidencia del 10% de afectacin y considerando un evento atpico extre-mo fenmeno del nio (IMN, 2011).

Figura 4. Modelo conceptual hidrogeolgico del Acufero de Nimboyores y seccin hidrogeolgica A-A.

Figura 5. Ubicacin de pozos de observacin en el modelo.

Se analiza entonces el perodo de mayor estrs hidrogeolgico, con descensos del nivel esttico en el distrito de Cartagena y en los pozos cercanos al punto de observacin, con profundidades del NF mayor a 16 m (Fig. 6).

Figura 6. Seccin hidrogeolgica en el Distrito de Cartagena.

En tanto el 2do. escenario consider el proyecto turstico, con una extraccin de 45 l/s (3 pozos), en condiciones de sequa. El resultado present un abati-miento del nivel fretico que incidira en el nivel dinmico produciendo una interferencia en los pozos que lo rodean. Finalmente el 3er. escenario consider la operacin de 2 sectores propuestos como zonas pre-ferenciales para extraccin (pozos tipo P y Q), aleja-dos de los otros puntos antes analizados. Se model para un caudal de 60 l/s en 4 pozos. La rejilla ubicada a 16 y 22 m de profundidad respecto al nivel del suelo. Este escenario gener la dinmica libre del acufero sin obstruir el funcionamiento de otros pozos (Fig. 7).

Figura 7: Comportamiento de las partculas en el permetro del grupo de pozos P y Q.

4 CONCLUSIONES

Se concluye que, en el 1er. escenario (rgimen de ex-plotacin actual), con valores de conductividad hidr-ulica comprendidos entre 10 y 300 m/d, discretizadas en tres capas, estando la tercera compuesta por depsi-tos de coluvios gruesos en el fondo del acufero, el ba-

lance hdrico subterrneo indica un almacenamiento de 843,95 MMC/ao, con una descarga de 868,1 MMC/ao compuesta por el flujo natural subterrneo saliendo de la cuenca hacia el acufero Caas, as co-mo 32,4 MMC de escorrenta superficial arrojada por el balance hdrico. En esta poca calibrada, al presen-tarse descensos en un grupo de pozos cercanos a los de observacin, alrededor de 16 a 18 m, se puede con-cluir que en un periodo de sequa extrema, las reservas acuferas se vern afectadas. En tanto que el 2do. es-cenario el aprovechamiento por pozos las 24 horas al da, provocarn una influencia en la explotacin de los pozos situados aguas abajo, debido al descenso del ni-vel dinmico. Finalmente, en el 3er escenario, la cap-tacin de agua subterrnea por cuatro pozos que extra-en 15 l/s durante las 24 horas al da, no influir en la operacin de otros pozos existentes en su permetro, y garantizar el caudal de explotacin planteado.

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