Una metodología para el análisis de los patrones espacio temporales de la interacción entre aguas superficiales y subterráneas en áreas de llanura bajo escenarios de cambio climático

Abstract

El impacto del cambio climático y el análisis de la dinámica de las perturbaciones antrópicas que inciden en zonas de llanura exigen modelos que cuantifiquen adecuadamente a escala espacio-temporal el balance hídrico y la interacción entre agua subterránea y agua superficial (GW-SW) ya que en estas zonas dominan los procesos verticales de flujo y a que estos dos componentes se conectan entre sí en un mismo recurso. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología que permita analizar y cuantificar el balance hídrico y la interacción GW-SW a través del acoplamiento de modelos numéricos hidrológico-hidrogeológico bajo escenarios de cambio climático. Este estudio se aplica en la cuenca superior del arroyo Del Azul, la cual se encuentra ubicada en el centro de la provincia de Buenos Aires. Para ello se ha empleado la modelación acoplada entre el modelo hidrológico semidistribuido (SWAT) y el modelo hidrogeológico (MODFLOW). Se realizó una simulación para un escenario línea base calibrado y validado a escala diaria para un período de 13 años (2003-2015) y se contrastó con dos escenarios del modelo climático regional CCSM4, RCP (4.5 y 8.5) simulados para el periodo 2020-2050. Para la simulación adecuada del balance hídrico a escala distribuida primero se analizaron diferentes métodos para el relleno de datos diarios de precipitación, luego se compararon diferentes modelos de elevación digital y métodos de interpolación espacial para la representación topografía y movimiento del agua en superficie. Finalmente se implementa la fusión de imágenes satelitales de media resolución espacial para caracterizar los usos del suelo en la cuenca. La aplicación del acoplamiento SWAT-MODFLOW dio bueno resultados de acuerdo al ajuste entre los caudales y niveles simulados, alcanzando un Nash Sutcliffe (NS) de 0.6 y R2 de 0.6 en la estación hidrométrica de Seminario ubicada en el cierre de la cuenca. Según el balance promedio anual, de la precipitación total, se evapotranspira alrededor del 85%, se recarga 10.2 % y el 4.8 % escurre superficialmente. Se determinaron tendencias anuales y mensuales de la interacción arroyo-acuífero, obteniendo una descarga de agua subterránea promedio anual de 34 mm y un promedio anual de recarga del arroyo al acuífero de 1.4 mm. Las descargas mensuales de agua subterránea son más altas en invierno-primavera (Julio a Diciembre con un promedio de 3.3 mm) y más bajas en verano-otoño (Enero a Junio con un promedio 2.8 mm). La recarga promedio mensual del arroyo hacia el acuífero varia de 0.02 mm a 0.36 mm y son más altas en Marzo, Mayo y Agosto cuando se produce un exceso de agua en la cuenca. A través del análisis de los modelos acoplados es posible analizar y reproducir las transiciones de flujo existentes entre el arroyo, la zona hiporreica y el acuífero. En cuanto al impacto del cambio climático en el balance hídrico se esperan anomalías positivas hacia mediados del siglo XXI. Los resultados a escala promedio anual presentan con el RCP 4.5 un aumento del 16% de precipitación y 5.3% en la temperatura promedio, mientras con el RCP 8.5 aumenta la precipitación un 20% y la temperatura promedio un 6.3%. Según los resultados los aumentos futuros en el nivel de agua subterránea podrían alterar drásticamente los ecosistemas en la llanura Pampeana como el aumento de inundaciones, salinización del suelo, cambios en la calidad del agua subterránea y cambios en los ciclos biogeoquímicos del suelo como también de la zona hiporreica. Los resultados de esta tesis muestran la importancia de emplear modelos acoplados de simulación del flujo superficial y subterráneo en zona de llanura ya que mejoran la reproducción de los patrones espacio temporales a escala diaria como es la recarga neta, niveles freáticos, escurrimiento superficial, evapotranspiración, humedad del suelo y la interacción entre acuífero-arroyo así como también la potencialidad de este tipo de v modelos para gestión de los recursos hídricos como es el análisis del impacto del cambio climático en la hidrología superficial-subterránea. Este estudio permitió desarrollar un enfoque estructurado para la gestión de riesgo de extremos hídricos, ya que por medio de la modelación acoplada bajo escenarios de cambio climático integrado con índices climáticos se podrán predecir, mitigar, así como realizar un seguimiento cuando se presenten sequías e inundaciones en áreas de llanura. A partir de este estudio se modificó el modelo conceptual de flujo en la cuenca superior del arroyo Del Azul y a su vez mejorar el conocimiento del comportamiento del acuífero freático. Los resultados y conclusiones derivados de esta tesis permitirán establecer políticas para los tomadores de decisiones en respuesta a retos hídricos enfrentados ya que el agua es un recurso vulnerable y finito, esencial para mantener a la población, ecosistemas y la agricultura que es el principal sustento en estas áreas

The impact of climate change and the analysis of the dynamics of anthropogenic disturbances that affect plain areas require models that adequately quantify to spatiotemporal the water balance and the interaction between groundwater and surface water (GW-SW) over the time and space since these two are interconnected in the same resource where vertical water processes dominate. The main objective of this thesis is to develop a methodology that allows analyzing and quantifying the water balance and the GW-SW interaction through the coupling of hydrological and hydrogeological numerical models under climate change scenarios. The study was conducted in the upper creek basin of the Del Azul, which is located in the center of the province of Buenos Aires. Modelling was performed by coupling the semi-distributed hydrological model (SWAT) with the hydrogeological model (MODFLOW) has been used. A simulation was performed for a baseline scenario calibrated and validated on a daily basis for a period of 13 years (2003-2015) and contrasted with two scenarios of the regional climate model CCSM4, RCP (4.5 and 8.5) simulated for the period 2020-2050. For the adequate water balance simulation at a distributed scale, different methods were first analyzed for the filling of daily precipitation data, then different digital elevation models and spatial interpolation methods were compared for the representation of topography and water movement on surface. Finally, the fusion of satellite images of medium spatial resolution was implemented to define the land uses in the basin. The application of the SWAT-MODFLOW coupling resulted satisfactory based on the good adjustment between the calculated flows and levels, showing a Nash-Sutcliffe (NS) value of 0.6 and R2 of 0.6 at the Seminario hydrometric station located at the watershed outlet point. According to the annual average balance, evapotranspiration accounts for 85% of the total rainfall whereas, recharge and surface runoff accounts for 10.2% and 4.8%, respectively. Annual and monthly trends of the stream-aquifer interaction were determined, obtaining on an average annual groundwater discharge of 34 mm and an average annual aquifer recharge from the stream of 1.4 mm. Monthly groundwater discharges are higher in winter-spring (July to December with an average of 3.3 mm) and lower in summer-autumn (January to June with an average of 2.8 mm). The average monthly recharge of the stream towards the aquifer varies from 0.02 mm to 0.36 mm and is higher in March, May and August, when water excess in the basin dominates. Through the analysis of coupled modeling, it is possible to analyze and reproduce the spatiotemporal flow transitions among the stream, the hyporheic zone and the aquifer. Regarding the impact of climate change on the water balance, positive anomalies are expected towards the middle of the 21st century. An average annual increase of 16% and 5.3% in precipitation and temperature, respectively, is expected using the 4.5 RCP scenario, whereas this increase is 20% and 6.3% for precipitation and temperature, respectively using 8.5 RCP scenario. According to these results, future increases in the groundwater level could drastically alter the ecosystems in the Pampas plain, due to increased flooding, soil salinization, changes in groundwater quality and changes in the biogeochemical cycles of the soil as well as of the hyporheic zone. This thesis shows the importance of using coupled models of simulating of surface and groundwater flow in the plain areas since they improve the reproduction of spatiotemporal patterns on a daily scale such as net aquifer recharge, groundwater levels, surface runoff, actual evapotranspiration, soil moisture and the aquifer-stream interaction. It also emphasizes the potential of this type of models for water resources management such as for the analyzing of the impact of climate change on surface and groundwater hydrology. The study allowed the development of a structured approach for vii water extremes risk management by combining coupled modeling under different climate change scenarios and the climate index. With it, be possible to predict, mitigate, and monitor when presents droughts and floods in plain areas. Based on this study, the conceptual model of the system was modified in the upper creek basin of the Del Azul and at the same time the knowledge of the behavior of the phreatic aquifer was improved. The results and conclusions derived from this thesis will allow establishing policies for decision makers in response to the faced challenges as water becomes more vulnerable and finite, reminding us how essential it is for maintaining the population, ecosystems and agriculture, the latter being the main source of income in these areas.