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Cuantificación de la recarga natural al acuífero del norte de Gran Canaria mediante el balance diario de agua en el suelo

Naranjo Ayala, Gema,Cabrera, M.C.,Cruz-Fuentes, Tatiana,Martín Rodríguez, Luis Fernando,Custodio, Emilio

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II Workshop “Estudio, aprovechamiento y gestión del agua en terrenos e islas volcánicas” Las Palmas de Gran Canaria, 2015 247 CUANTIFICACIÓN DE LA RECARGA NATURAL AL ACUÍFERO DEL NORTE DE GRAN CANARIA MEDIANTE EL BALANCE DIARIO DE AGUA EN EL SUELO Gema NARANJO1, María del Carmen CABRERA1, Tatiana CRUZ-FUENTES1, Luis Fernando MARTIN2 y Emilio CUSTODIO3 1 Dpto. de Física (GEOVOL), Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. Edificio de Ciencias Básicas, 35017 Tafira Baja. Las Palmas de Gran Canaria. España. [email protected]; mcarm[email protected]s; [email protected] 2 Dpto. de Ingeniería Civil (GEOVOL), Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. Edificio de Ingenierías, 35017 Tafira Baja. Las Palmas de Gran Canaria. España. [email protected] 3 Dpto. de Ingeniería del Terreno y Cartográfica. Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Jordi Girona 1-3, 08034 Barcelona. España. em[email protected]du RESUMEN La recarga al acuífero noreste de Gran Canaria ha sido calculada dentro del proyecto REDESAC mediante la realización de un balance diario de agua en el suelo. Para llevarlo a cabo ha sido necesario adaptar los datos de partida existentes referentes a la pluviometría, la evapotranspiración (ET0 y ETP) y los parámetros del suelo. La zona se ha dividido en subzonas según la situación de las estaciones pluviométricas y atendiendo a las características climáticas. Los cálculos realizados mediante la utilización del código EasyBal han arrojado una recarga de unos 15±4 hm3/a, lo que supone el 13±4% de la precipitación, la mayor parte de la misma concentrada en las zonas altas y de medianías. Palabras clave: Recarga, balance de agua en el suelo, acuífero volcánico, Gran Canaria. ABSTRACT Groundwater recharge calculation was carried out within the REDESAC project by performing a daily water balance in the soil in the northeast aquifer of Gran Canaria. Existing data concerning to rainfall, evapotranspiration (ET0 and PET) and soil parameters had to be adapted. The area was divided into subzones according to the situation of the rainfall stations and to climatic characteristics. Calculations made using the Easy-Bal code give a recharge of about 15±4 hm3/y, which represents 13±4% of precipitation, most of it concentrated in the high and medium areas. Key words: Recharge, soil water balance, volcanic aquifer, Gran Canaria. INTRODUCCIÓN La recarga de un acuífero es un fenómeno natural muy complejo, con destacable variabilidad espacial y temporal y que entraña una notable incertidumbre. Dado que su cuantificación es crucial para una correcta conservación, explotación y gestión de las aguas subterráneas, hay que abordar su evaluación mediante diversas técnicas lo más ISBN: 978-84-938046-4-0 G. Naranjo et al. – Cuantificación de la recarga natural al acuífero del norte de Gran Canaria … 248 independientes entre sí como sea posible para, comparando los resultados, determinar la bondad de las estimaciones realizadas. El Norte de Gran Canaria ha sido objeto de trabajos dentro del proyecto de investigación REDESAC debido a que es donde se produce la mayor recarga al acuífero insular. En la zona de estudio se ha llevado a cabo la estimación de la recarga utilizando el método del Balance de Cloruros de origen atmosférico, resultando una recarga media multianual estimada de 25,4±18 hm3/año, o sea 22±16% de la precipitación (Naranjo et al., 2014) que se puede ajustar mejor con mayor tiempo de observaciones. Para contrastar esta estimación se ha realizado un balance diario de agua en el suelo en la misma zona, cuyos resultados se muestran en el presente trabajo. CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO La zona de estudio se localiza en el sector noreste de la isla de Gran Canaria, tiene una superficie de 312 km2 e incluye las zonas N3, N4 y parte de la zona N2 de la zonificación hidrológica de Gran Canaria (Figura 1). Los límites de dichas zonas coinciden con el mar y con las divisorias de las cuencas hidrográficas de barrancos principales. En superficie afloran los materiales más jóvenes y permeables, con suelos poco retentivos y vegetación de moderada densidad, lo que favorece la recarga. El clima en la zona es muy variable de costa a cumbre debido al gradiente altitudinal y la dirección predominante de los vientos alisios. La precipitación media anual varía anual entre 800 mm/a a cotas altas y 115 mm/a a cotas bajas, con una precipitación media ponderada para la zona de estudio de 389 mm/a. Las temperaturas máximas y mínimas medias anuales varían desde 14ºC en las zonas altas a 21ºC en la costa, con una temperatura media de 18ºC. MARCO HIDROGEOLOGICO Geológicamente la isla tiene su origen en un vulcanismo intraplaca de punto caliente. En la zona de estudio afloran fundamentalmente lavas e ignimbritas Pliocenas y Cuaternarias y sedimentos de la Formación Detrítica de Las Palmas de edad Miocena y Pliocena. La mayoría de los pozos de la zona explotan los materiales Pliocenos y los materiales fonolíticos-traquíticos Miocenos infrayacentes. El funcionamiento hidrogeológico de Gran Canaria se caracteriza por la existencia de un acuífero único insular, con una superficie piezométrica en forma de domo. La recarga natural se produce por infiltración de la lluvia en las zonas de cumbre y medianías, circulando preferentemente por los materiales volcánicos más recientes. La descarga se produce al mar y mediante las extracciones de pozos y galerías, que han mermado las descargas naturales intermedias por los manantiales (nacientes) que existían donde afloran materiales menos permeables o en valles profundos (MOP-UNESCO, 1975). En la zona de estudio el espesor de la zona no saturada vale en promedio 100 m, mayor en los interfluvios y menor en los barrancos. METODOLOGÍA Y TRATAMIENTO DE LOS DATOS Datos utilizados para los cálculos El balance diario de agua en el suelo se ha realizado usando la hoja de cálculo Easy-Bal 3.0, elaborada por el Curso Internacional de Hidrología Subterránea, considerando la recarga natural en el periodo 1980 a 2013. Este programa simplificado requiere introducir los parámetros del suelo: espesor, capacidad de campo y punto de marchitez permanente y, partir de una situación dada de humedad inicial, (aunque este último dato no es relevante para largos tiempos de cálculo), la pluviometría diaria (mm) y el umbral de escorrentía (mm). II Workshop “Estudio, aprovechamiento y gestión del agua en terrenos e islas volcánicas” Las Palmas de Gran Canaria, 2015 249 Los datos del suelo fueron estimados para las áreas consideradas a partir de 8 perfiles detallados de suelo (Sánchez, 1975), cuya situación espacial se muestra en la Figura 1. Los umbrales de escorrentía se calcularon a partir del Número de Curva (Cruz-Fuentes et al., 2014). La pluviometría diaria (mm) procede de once estaciones pluviométricas del Consejo Insular de Aguas de Gran Canaria (CIAGC). La ET0 diaria (evapotranspiración de referencia calculada por Penman-Monteith) procede de dos estaciones agroclimáticas de la red SIAR (Figura 1). Para el resto de las estacaiones, la falta de datos disponibles obliga a aplicar un método alternativo de estimación que utiliza las temperaturas medias, por lo que se calcula la ETP mediante Thornthwaite. Figura 1.- Zona de estudio y localización de las estaciones pluviométricas, perfiles de suelo, estaciones climatológicas de AEMET, estaciones agroclimáticas red SIAR y áreas consideradas en el cálculo de la recarga. La zona se dividió en áreas diferenciadas en base a la situación de los datos de partida (Figura 1). La extrapolación de los valores puntuales de las estaciones por zonas se realizó atendiendo fundamentalmente a las alturas de las estaciones y la situación de las isoyetas, debido a las características climáticas de la zona. Evapotranspiración de referencia (ET0) La ET0 diaria en las dos estaciones consideradas ha sido calculada con el método de G. Naranjo et al. – Cuantificación de la recarga natural al acuífero del norte de Gran Canaria … 250 Penman-Monteith desde el año 2001 a 2013. Se dispone de entre un 80% y un 90% de los datos de ET0 necesarios; el resto se completó con la media del mismo día en los otros años. Paralelamente se ha calculado la ETP por el método de Thornthwaite a partir de los datos diarios de temperatura en las 9 estaciones de AEMET existentes en la zona entre 1980 y 2013. El número de medidas de temperatura de los que se dispone oscilan entre unos 2000 y 11000 medidas (de 12012 medidas totales). Por ello, a partir de la estación con mayor número de medidas se completaron las series del resto mediante correlaciones bivariadas. Finalmente, en el balance se utilizaron los datos de ETP generados para el periodo 19802013, transformando los datos obtenidos por Thornthwaite para las estaciones de AEMET con un factor de corrección calculado a partir de la correlación entre la ETP de Thornthwaite (estaciones AEMET) y la ET0 de Penman-Monteith (estaciones SIAR), teniendo en cuenta la cercanía y climatología de ambos tipos de estaciones. Los valores mensuales de Thornthwaite se reparten homogéneamente en los días del mes correspondiente. Parámetros del suelo La capacidad de campo y el punto de marchitez permanente ponderales se calcularon a partir de los porcentajes de arcillas (Ac), limos (L) y arenas (Ar) de cada uno de los horizontes de los perfiles de suelo de que se dispone (Sánchez, 1975), según las siguientes expresiones tomadas de una adaptación de Saxton et al. (1986): CC (% peso suelo seco) = 0,48·Ac + 0,162·L+ 0,023·Ar + 2,62 PMP (% peso suelo seco) = 0,302·Ac + 0,102·L + 0,0147·Ar A partir de estos cálculos y conociendo la densidad aparente de cada tipo de suelo, se han obtenido dichos parámetros por unidad de volumen, tomando un único valor representativo para cada perfil a partir de la media ponderada de los valores de los distintos horizontes, que se ha multiplicado por el espesor del suelo edáfico, para obtener esos parámetros en mm. Dado que la zona de estudio presenta irregularidades en cuanto al espesor de suelo (Sánchez, 1995), el valor medio de espesor de suelo para cada una de las áreas se ha calculado mediante un sistema de información geográfica. RESULTADOS La tabla 1 muestra los parámetros utilizados y los resultados obtenidos a partir del balance diario de agua en el suelo para cada una de las áreas establecidas (Figura 1). Extrapolando los resultados obtenidos del balance diario de agua en el suelo en cada área de cálculo (Tabla 2) a toda la zona de estudio se observa que la recarga obtenida asciende a unos 15,3 hm3/a, lo que supone un 13% de la precipitación. La incertidumbre en el cálculo del valor de la recarga media anual obtenida deriva de los errores de los datos de partida y de la de los parámetros del balance. Se ha estimado a partir de la varianza de la recarga (σR2) obtenida llevando a cabo un análisis de sensibilidad a las variaciones de los parámetros que intervienen en el cálculo. Si R/Pi representa la sensibilidad de la recarga a las variaciones del parámetro Pi y σPi2 la varianza del mismo, la varianza σR2 viene dada por: ∑( ) Tabla 1.- Recarga obtenida mediante el balance diario de agua en el suelo en el periodo 19802013 en cada una de las áreas consideradas. Parámetros de suelo empleados (espesor medio del II Workshop “Estudio, aprovechamiento y gestión del agua en terrenos e islas volcánicas” Las Palmas de Gran Canaria, 2015 251 suelo, CC= capacidad de campo media y PM=Punto de marchitez medio obtenidos de cada perfil expresados en mm). P= Pluviometría media de cada estación; P0=Umbral de escorrentía y Estación considerada para la ETP. Estación CIAGC Área de cálculo Espesor (cm) Área (km2) Perfil CC (mm) PM (mm) P media (mm/a) P0 (mm) Estación ETP R (mm/a) %R/P 002 N3-002-550mm 60 22,4 P-IV 0,25 0,13 690 29 C611E 171 25 N3-002-650mm 56 21,2 P-IV 0,25 0,13 690 29 C611E 175 25 N3-P002 44 4,5 P-IV 0,25 0,13 690 29 C611E 188 27 036 N2-036-150mm 55 3,3 P-III 0,49 0,29 252 22 C669B 0,2 0,1 N2-036-250mm 34 6,6 P-III 0,49 0,29 252 22 C669B 11 4 N2-P036 40 7,2 P-III 0,49 0,29 252 22 C656V 4 2 037 N2-P037 50 13,4 P-XVII 0,26 0,14 570 20 C665T 81 14 055 N2-P055 55 18,7 P-XIII 0,39 0,23 566 31 C665T 85 15 088 N3-088-150mm 37 23,2 P-XIV 0,43 0,25 293 14 C659H 0,1 0,02 N3-088-250mm 48 31,5 P-VI 0,23 0,12 293 14 C658J 5 2 N3-P088 42 22,8 P-VI 0,23 0,12 293 14 C658K 5 2 136 N3-P136 55 25,9 P-VI 0,23 0,12 484 30 C656J 79 16 N4-136-450mm 40 2,1 P-VI 0,23 0,12 484 30 C656J 96 20 199 N2-199-150mm 66 12,5 P-XIV 0,43 0,25 362 22 C669B 2 0,5 N2-199-250mm 56 10,3 P-III 0,49 0,29 362 22 C669B 2 0,5 N2-P199 44 10,1 P-III 0,49 0,29 362 22 C656V 9 3 203 N2-P203 61 14,9 P-III 0,49 0,29 455 37 C656V 25 5 213 N4-213-150mm 38 2,6 P-XIV 0,43 0,25 317 16 C659H 1 0,3 N4-213-250mm 43 27,6 P-VI 0,23 0,12 317 16 C658J 12 4 N4-P213 55 10,3 P-VI 0,23 0,12 317 16 C658K 6 2 098-174 N2-P098-P174 37 8,2 P-V 0,24 0,13 727 23 C612F 203 28 Tabla 2.- Recarga media anual obtenida en la zona de estudio. S = superficie de las diferentes áreas. ETR media obtenida del balance diario de agua en el suelo. Áreas delimitadas por las isoyetas: baja < 400 mm/a; media entre 400 y 600 mm/a; alta > 600 mm/a. Zona AREA S (km2) ETR (mm/a) PRECIPITACION RECARGA %R/Ptotal %R/Rtotal mm/a hm3/a mm/a hm3/a N2 Baja 50 281 243 12 4 0,2 0,2 1 Media 34 421 527 18 59 2 2 13 Alta 22 379 654 14 131 3 3 19 Total: 105 44 5 5 33 N3 Baja 77 232 233 18 3 0,3 0,2 2 Media 48 346 518 25 106 5 4 33 Alta 26 349 663 17 171 4 4 29 Total: 151 60 10 8 64 N4 Baja 41 245 258 11 8 0,3 0,3 2 Media 2 319 490 1 98 0,2 0,2 1 Total: 42 12 0,5 0,5 4 TOTAL 299 116 15 13 100 Los parámetros a los que la recarga es especialmente sensible son la reserva útil de G. Naranjo et al. – Cuantificación de la recarga natural al acuífero del norte de Gran Canaria … 252 agua en el suelo (Ru) de forma que a menor reserva útil máxima, la recarga y el umbral de escorrentía (P0), son mayores, obteniéndose valores de recarga mayores a mayor umbral de escorrentía, quedando la fórmula de la incertidumbre de la siguiente forma: ( ) ( ) La Tabla 3 muestra los cálculos de incertidumbre realizados en cada una de las áreas a partir del análisis de sensibilidad. De los mismos se desprende que la recarga es más sensible de forma general a las variaciones del umbral de escorrentía que a las variaciones de la reserva útil especialmente en las zonas altas, donde el rango de valores de recarga obtenido es considerablemente mayor que en el resto de las áreas. La recarga en la zona baja es igualmente sensible a ambos parámetros. La recarga en las zonas medias y altas es igualmente sensible a las variaciones de la reserva útil máxima mostrando aproximadamente el mismo rango de valores de recarga obtenidos. Tabla 3.- Cálculo de la incertidumbre de la recarga en las diferentes zonas. El rango se toma como el valor medio ± 0,25. R/Pi se calcula como la diferencia entre recarga máxima y mínima dividida por el valor del rango del parámetro. Ru=reserva útil media y P0=umbral de escorrentía medio, como valores ponderados en cada zona. Sus errores se ha estimado a partir del conocimiento del área, adoptando como coeficientes de variación CVRu=0,21 (según CC, PM y espesor) y CVPo=0,2. Zona Área Pi (mm) Valor medio (mm) Rango (mm) Rmin - Rmax mm/a (R/Pi)2 (a-2) σPi2 (mm2) σR (mm/a) N2 baja Ru 97 73 - 122 2 - 9 0,02 597 4 P0 22 17 - 29 2 - 7 0,2 19 media Ru 108 81 - 135 43 - 70 0,3 739 17 P0 34 25 - 42 39 - 64 2 46 alta Ru 50 38 - 63 129 - 159 1,4 159 29 P0 21 16 - 27 106 - 168 35 18 N3 baja Ru 55 41 - 69 2 - 7 0,04 192 4 P0 14 11 - 18 1 - 7 0,7 8 media Ru 65 49 - 81 110 - 141 0,9 265 25 P0 29 22 - 36 96 - 145 12 34 alta Ru 58 43 - 72 168 - 199 1 208 31 P0 29 21 - 36 144 - 210 21 32 N4 baja Ru 59 44 - 74 4 - 11 0,1 219 5 P0 16 12 - 20 2 - 11 1 10 media Ru 44 33 - 56 84 - 112 2 124 21 P0 30 22 - 37 74 - 111 6 36 Áreas delimitadas por las isoyetas: baja < 400 mm/a; media, entre 400 y 600 mm/a; alta, > 600 mm/a. Aplicando este método, el error medio estimado para la zona de estudio es de ±13,1 mm/a (±3,9 hm3/a), un error aceptable para el valor de recarga medio obtenido (15,3 hm3/a). En el futuro se deberán estudiar los valores de con datos experimentales y de calibración . DISCUSIÓN Los datos empleados en el balance de agua en el suelo arrastran numerosas incertidumbres. Hay que tener en cuenta que los datos referentes a las características del suelo proceden solamente de ocho perfiles (Figura 1). A partir de estos perfiles se han estimado los valores que se han introducido para calcular el balance por zonas, pero posiblemente los datos no sean extrapolables porque no existe una cartografía detallada de II Workshop “Estudio, aprovechamiento y gestión del agua en terrenos e islas volcánicas” Las Palmas de Gran Canaria, 2015 253 suelos. Además, hay que destacar que la geología y topografía existente en la zona condiciona que existan amplias zonas sin ningún suelo desarrollado, por ejemplo en las laderas, por lo que esta extrapolación puede introducir un amplio error en los cálculos. A la hora de calcular la ET0 se optó por tomar los datos de las estaciones del SIAR calculadas por Penman-Monteith, ya que se utilizan valores diarios de temperatura y se tiene en cuenta la energía incidente en la superficie estudiada. Estos datos se utilizan para corregir las series de datos de Thornrthwaite que utiliza medias mensuales (Jensen et al., 1990, Custodio et al. 1997). La distribución espacial de estas estaciones (Figura 1) puede no reflejar apropiadamente toda la zona, aunque se ha intentado minimizar el error tomando los valores según las alturas a que están situadas según la climatología del área. Este método no ha sido calibrado debido a que se carece de series de datos suficientemente largas de variación de niveles piezométricos en la zona. Además, la potencia de la zona no saturada hace que la recarga tenga un considerable retraso y amortiguación respecto a la infiltración en el suelo, además que en parte se debe producir a través de discontinuidades (fisuras), que no son consideradas en el cálculo del balance. En la Tabla 4 se muestra la relación entre la pluviometría y la recarga media anual estimada a partir del balance de agua en el suelo. Para la zonas bajas la relación es casi nula ya que se produce muy poca recarga, pero en las zonas medias y altas la dispersión existente en la relación recarga-pluviometría es típica de climas semi-áridos, por lo que no todas las recargas son proporcionales a la precipitación que las ha generado (Espinosa, 2014). Tabla 4.- Relación de la pluviometría anual con la recarga producida. P pluviometría media anual. P0 umbral de escorrentía medio. ETR evapotranspiración real media y R recarga media obtenida en el balance diario de agua en el suelo. Aquí no se han calculado los márgenes de error. zona Área P (mm/a) P0 (mm) ETR (mm/a) R (mm/a) Relación P vs. R N2 baja 324 21,7 281 4 ± 1 R = 0,05·(P - 232) media 516 33,6 421 59 ± 4 R = 0,31·(P - 327) alta 630 20,9 379 131 ± 14 R = 0,4·(P - 312) N3 baja 293 14,3 232 3 ± 2 R = 0,04·(P - 191) media 598 29,2 346 106 ± 9 R = 0,43·(P - 317) alta 690 28,5 349 171 ± 12 R = 0,45·(P - 295) N4 baja 317 16,0 245 8 ± 2 R = 0,09·(P - 213) media 484 29,8 319 96 ± 7 R = 0,46·(P - 274) R=α·(P-P0), siendo P= precipitación anual media (mm/a); R= recarga media anual (mm/a); P0= precipitación umbral a partir de la cual se produce recarga; α = pendiente de la recta de regresión. Para las zonas medias y altas, el umbral medio de pluviometría necesario para que exista recarga es de 274-327 mm/a. CONCLUSIONES La recarga obtenida para la zona de estudio mediante el balance de agua en el suelo es de 15±4 hm3/a, lo que supone entre un 9% y un 17% de la precipitación. Espacialmente la recarga estimada se produce principalmente a cotas medias y altas (48% y 47% de la recarga total respectivamente), siendo muy pequeña en la zona de costa, donde no se supera los 0,8 hm3/a (5% de la recarga total de la zona de estudio). En cuanto a las zonas G. Naranjo et al. – Cuantificación de la recarga natural al acuífero del norte de Gran Canaria … 254 hidrológicas, casi el 65% de la recarga total se produce en la zona N3 que ocupa el 50% de la superficie de estudio, mientras que en la N4 se produce el 4% de la recarga de la zona de estudio. La incertidumbre derivada del análisis de sensibilidad de los parámetros empleados en el balance de agua en el suelo es mayor en las zonas altas y muestran una mayor sensibilidad al umbral de escorrentía. Esta primera evaluación sirve para contrastar los resultados obtenidos frente a los de la Planificación Hidrológica, donde se estima la recarga en un 19% de la precipitación (PHGC, 1999). AGRADECIMIENTOS El presente trabajo se enmarca en el proyecto REDESAC (CGL2009-12910-C03-02) del Ministerio de Ciencia e Innovación. Los datos diarios de pluviometría fueron suministrados por el Consejo Insular de Aguas de Gran Canaria. Los datos de temperatura diaria fueron cedidos por la Agencia Estatal de Meteorología. Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente. REFERENCIAS Cruz-Fuentes, T., Naranjo, G., Cabrera, M.C., Custodio, E. (2014). Estimación de la escorrentía superficial mediante la generación automática del número de curva con un SIG. Aplicación al norte de Gran Canaria (Islas Canarias, España). II Congreso Ibérico de las Aguas Subterráneas, CIAS2014. Valencia: 217-232. Custodio, E., Llamas, M.R.; Samper, J. (1997). La evaluación de la recarga a los acuíferos en la planificación hidrológica. Asociación Internacional de Hidrogeólogos, Grupo Español–Instituto Tecnológico Geominero de España: 1–455. ISBN: 84–7840–292–6 Espinosa, S. (2014). 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