MODELAMIENTO DE ACUIFERO PRIORIZADO DE LA ZONA FRANCA EN CUENCA ALTA DEL RÍO BOGOTÁ

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN 2

2. MODELO NUMERICO ACUIFERO PRIORIZADO ZONA FRANCA 3

2.1 PLATAFORMA MODELMUSE 3

2.3 DISTRIBUCIÓN DE CAPAS HIDROGEOLÓGICAS 6

2.4 PROPIEDADES HIDROGEOLÓGICAS 7

2.6 SIMULACIÓN DEL MODELO 12

1. INTRODUCCIÓN

De acuerdo con el plan de trabajo expuesto en los estudios previos se trabajó en la

modelación numérica de la cuenca priorizada Zona Franca. Se procedió a migrar el

modelo conceptual de la zona de estudio elaborado en los informes anteriores al

modelo numerico utilizando el código de programación para aguas subterráneas

MODFLOW elaborado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS). Se

utilizó además la plataforma ModelMuse que se basa en el código MODFLOW.

El primer paso para la migración de parámetros hidrogeológicos al modelo numérico

es definir o diseñar la grilla que será súper – impuesta al área de estudio, en este

caso el acuífero Cuaternario de Terraza Alta (Qta) por medio del método de

“enclosed cells”. Se tomó como referencia el área de estudio de los depósitos

cuaternarios de Terraza Alta (Qta) que es de aproximadamente 133 km2. Esta

extensión determinó que se tomara una grilla de tamaño de celda 200 m x 200 m,

145 filas y 59 columnas debido al área y al propósito de simulación.

En cuanto a las propiedades hidráulicas, el rango de valores de conductividad

hidráulica (K) tenidos en cuenta varían entre 1 x 10 -4 a 1 x 10 -7 m/d. Se realizaron

simulaciones para 10 diferentes conductividades hidráulicas (K), teniendo un mejor

comportamiento valores de K de 1 x 10-5 m/d. la conductividad hidráulica en la

dirección y (Ky) se asume como la misma Kx y la conductividad hidráulica en la

dirección z (Kz) es generalmente la decima parte de Kx.

Con base en los límites de frontera físicos e hidráulicos evaluados en los informes

anteriores se escogió la condición de frontera CDH en ModelMuse que representa

el límite de frontera de cabeza hidráulica o potencial hidraulico específico para

límites hidráulicos y niveles piezometricos. En el caso de los límites físicos

determinados en informes anteriores se determinaron límites de celdas activas e

inactivas.

Este modelo numérico representa las características hidrogeológicas simuladas de

pocos datos de campo, por lo tanto, es necesario registrar mas datos de pozos

piezometricos y pruebas de bombeo para determinar con mayor exactitud

propiedades como conductividad hidráulica (K), así mismo se debe tener mayor

información de campo de la interacción entre los ríos Bogotá y Teusacá y los

depósitos cuaternarios (Qta) con pruebas de bombeo cercanasa los ríos y registros

de niveles piezométricos dentro de los ríos.

2. MODELO NUMERICO ACUIFERO PRIORIZADO ZONA FRANCA

La migración del modelo conceptual de la zona franca elaborado en los informes

anteriores al modelo numerico se realizó utilizando el código de programación para

aguas subterráneas MODFLOW elaborado por el Servicio Geológico de los Estados

Unidos (USGS). Pese a que este código es utilizado para simular aguas

subterráneas la plataforma es compleja para el usuario final, por lo tanto se utilizó

una plataforma mucho más fácil de utilizar basada en el código MODFLOW, la

plataforma se denomina ModelMuse cuya ventaja es que es un software libre pero

con las mismas características de MODFLOW.

2.1 Plataforma ModelMuse

ModelMuse utiliza el método de Diferencias Finitas (DF) y que resuelve ecuaciones

de flujo mediante una grilla super – impuesta en el área de estudio en el que se

ubican nodos (i,j) que representan el potencial hidráulico (h). La naturaleza de la

grilla y la manera en la cual las propiedades hidráulicas son asignadas depende del

arreglo de los nodos, es decir, si estos están dispuestos en el centro de cada celda

de la grilla o en cada esquina de la grilla.

Esta grilla es utilizada por ModelMuse como filas y columnas (h,j) y cuyo origen esta

establecido en la parte superior izquierda (figura 1). En el menú principal ModelMuse

utiliza una grilla en la que se puede visualizar el modelo en 2D y 3D (figura 2).

Figura 1. Grilla utilizada por ModelMuse en el que el origen esta establecido en la esquina superior

izquierdo.

Figura 2. Menú principal ModelMuse con visualización del modelo en 2D y 3D.

La plataforma ModelMuse, sin embargo necesita el código de programación

MODFLOW además de otro tipo de paquetes que serán necesarios para simular

por ejemplo trayectoriade particulas, balance hídrico, etc. Estos paquetes son

descargados de la página del USGS e instalados en ModelMuse (figura 3).

Figura 3. Localización de programas instalados en plataforma ModelMuse para simulación de aguas subterráneas.

2.2 Dimensiones del Modelo y Diseño de Grilla

El primer paso para la migración de parámetros hidrogeológicos al modelo numérico

es definir o diseñar la grilla que será súper – impuesta al área de estudio, en este

caso el acuífero Cuaternario de Terraza Alta (Qta) por medio del método de

“enclosed cells”. Se tomó como referencia el área de estudio de los depósitos

cuaternarios de Terraza Alta (Qta) que es de aproximadamente 133 km2. Esta

extensión determinó que se tomara una grilla de tamaño de celda 200 m x 200 m,

145 filas y 59 columnas debido al área y al propósito de simulación (figura 4).

Figura 4. Diseño de grilla 200 x 200 con 145 filas y 59 columnas.

2.3 Distribución de Capas Hidrogeológicas

El modelo fue dividido en una capa teniendo en cuenta la litología y características

hidrogeológicas de la zona de estudio. La primera capa representa el acuífero libre

compuesto por depósitos constituidos por arcillas, arenas y gravas. Su morfología

es plana con ligeras ondulaciones, corresponde con la expresión morfológica del

relleno lacustre de la Sabana de Bogotá se tomó un espesor promedio de 80 m

según los estudios del servicio Geológico Colombiano (Estudio Hidrogeológico en

la periferia de Bogotá, Ingeominas EAAB, 1996). La capa inferior fue considerada

como el límite del modelo la cual representa celdas inactivas.

2.4 Propiedades Hidrogeológicas

En cuanto a las propiedades hidrogeológicas se determinó una conductividad

hidráulica (K) promedio ya que no existe suficiente información de pruebas de

bombeo a lo largo del área de estudio que represente las características hidráulicas

del cuaternario Terraza Alta (Qta).

Para los depósitos de Terraza Alta se tomó un valor promedio debido a la alta

heterogeneidad de los depósitos compuestos por arcillas, arenas y gravas. La tabla

1 muestra un amplio rango de valores de conductividad hidráulica (K) de diferentes

materiales geológicos.

El rango de valores de K tenidos en cuenta varía entre 1 x 10 -4 a 1 x 10 -7 m/d. Se

realizaron simulaciones para 10 diferentes conductividades hidráulicas (K), teniendo

un mejor comportamiento valores de K de 1 x 10-5 m/d. la conductividad hidráulica

en la dirección y (Ky) se asume como la misma Kx y la conductividad hidráulica en

la dirección z (Kz) es generalmente la decima parte de Kx.

Tabla 1. Rango de Conductividades Hidráulicas de diferentes materiales.

Valores de Evapotranspiración fueron tomados del balance hídrico realizado para la

cuenca priorizada de la Zona Franca con un valor anual de 710 mm.

Valores de recarga fueron tomados con base en los cálculos realizados por el

estudio del ERA que utiliza la infiltración y la multiplica por el área:

R = I + Área Estudio.

Donde

R: Recarga

I: Infiltración anual.

R = 723 * 132684606 m2

R = 96 x 106 m3 / año

Se debe tener en cuenta en este caso que los valores de recarga son menores a

los calculados debido a que no toda la infiltración se convierte en recarga, para este

caso se debe realizar un calculo de recarga potencial que proporcione valores más

reales.

2.5 Límites de Frontera

Con base en los límites de frontera físicos e hidráulicos evaluados en los informes

anteriores se escogió la condición de frontera CDH en ModelMuse que representa

el límite de frontera de cabeza hidráulica o potencial hidraulico específico para los

límites hidráulicos analizados en el informe 6 (figura 5).

Figura 5. Limites de Fronteradel Modelo, CDH, Limites celdas activas y Drenaje.

Para los Límites de frontera hidráulicos en este caso CDH se tomaron cabezas o

Potencial Hidraulico calculados en base a la tabla 1 y la figura 4 del informe 6. Estos

valores son consignados en la tabla 2.

LÍMITE HIDRAÚLICO

BASE CUATERNARIO

(QTA)

COTA NIVEL ESTÁTICO (m)

NIVEL PIEZOMETRICO

(m)

POTENCIAL HIDRÁULICO

1 2490 2569 14 65

2 2490 2569 17 62

3 2490 2570 23 57

4 2490 2551 22 39

5 2490 2558 14 54 Tabla 2. Valores de potencial Hidráulico para los Límites Hidraulicos.

Se incluyeron los pozos escogidos para la realización de la red de flujo y que

pertenecen a la red de monitoreo de la Sabana de Bogotá, estos fueron

caracterizados como limites de frontera de cabeza hidráulica o potencial

hidraulico específico (CDH) (Tabla 3).

Pozo o Punto CDH

Cota de Nivel

estático (msnm)

Nivel Piezométrico

(m)

Base Cuaternario

(Qta) (m)

POTENCIAL HIDRÁULICO

(m)

A 2569 9.7 m 2490 69

A´ 2569 16 m 2490 63

B 2569 5.7 m 2490 73

B´ 2565 19.2 m 2490 55

C 2570 5,02 2490 75

C´ 2560 23,1 2490 47

D 2574 9,3 2490 74

D´ 2561 18,2 2490 52

E 2574 14,8 2490 69

E´ 2551 33 2490 28

F 2555 19,06 2490 46

F´ 2558 24,01 2490 44 Tabla 3. Valores de potencial Hidráulico para puntos CDH

Figura 6. Puntos CDH o pozos escogidos de la red de monitoreo CAR.

Los ríos Bogotá y Teusacá fueron determinados inicialmente como límites de

drenaje con una conductancia de 0.001 (L2/T, Longitud sobre tiempo al cuadrado).

Este valor de conductancia se escogió debido a los materiales con los que se

compone la base de los ríos Bogotá y Teusacá como arcillosos a limosos. Sin

embargo, no tuvieron influencia en los potenciales hidráulicos, por lo tanto los ríos

Bogotá y Teusacá fueron caracterizados como límites de frontera de rio. Se

consideró inicialmente el valor de conductancia de 0.001 pero el valor fué muy

elevado y produjo potenciales hidráulicos muy altos por lo que se simularon varios

valores de conductancia llegando a un valor más coherente de 0.0001 (L/T2)

2.6 Simulación del Modelo

Se corrió el modelo teniendo en cuenta la poca información de campo para el área

de estudio. Este modelo se consideraría regional, sin embargo, se incluyeron datos

de niveles piezometricos aunque estos siguen siendo escasos.

El modelo inicialmente produjo errores debido a que no había convergencia entre

los datos de entrada al sistema y los datos de salida, se procedió a modificar la

conductividad hidráulica K en los rangos 1 x 10 -4 a 1 x 10 -7 m/d.

El modelo finalmente tuvo una convergencia al ingresar el valor de conductividad

hidráulica de 1 x10-5 m/d. Los datos de conductancia de los ríos no fueron relevantes

para determinar una infuencia de estos cuerpos de agua y los potenciales

hidráulicos de los pozos (figura 7). Se procedió a representar a los Rios Bogotá y

Teusacá como límites de frontera de río en lugar de drenaje, en este caso se

procedió a ingresar valores de nivel de río (stage) en un rango entre 1 y 3 metros,

el valor que más se ajustó es de 1 metro. Cuando se corrió el modelo los nivelesde

potencial hidráulico fueron influenciados por los ríos Bogotá y Teusacá (figura 8).

Los resultados mostraron un porcentage de discrepancia cercano a 0 lo que indica

que hay convergencia entre los datos de entrada y salida al modelo (figura 9).

Figura 7. La figura a representa la parte superior norte y la figura b representa la parte inferior sur de la zona de estudio.

Figura 8a. Parte superior norte del modelo que muestra una influencia del Río sobre los potenciales hidrpaulicos de los pozos.

Figura 8a. Parte inferior sur del modelo que muestra poca influencia del Río sobre los potenciales hidrpaulicos de los pozos.

Figura 9. Grafica de convergencia del modelo de los depósitos cuaternarios (Qta).

Este modelo numérico representa las características hidrogeológicas simuladas de

acuerdo a la escasez dde datos de campo como niveles piezometricos, es necesario

registrar mas datos de pozos piezometricos y pruebas de bombeo para determinar

con mayor exactitud propiedades como conductividad hidráulica (K), así mismo se

debe tener mayor información de campo de la interacción entre los ríos Bogotá y

Teusacá y los depósitos cuaternarios (Qta) con pruebas de bombeo cercanasa los

ríos y registros de niveles piezométricos dentro de los ríos.

Otro aspecto a tener en cuenta es la profundidad de captación de los niveles

piezométricos ya que muchos de ellos no registran un cuerpo litológico determinado

o un espesor definido sino que registran varios estratos permeables al mismo tiempo

esto desestima la exactitud en los datos registrados que representan las

propiedades de conductividad hidráulica de los depósitos cuaternarios (Qta).