💧 Interactivo · hidrogeología · 3D

El campo de potenciales: cómo se mueve el agua bajo tierra

Un valle de 6 × 4 km con su acuífero, en 3D. Las isopiezas, las equipotenciales del corte y las líneas de flujo las calcula aquí mismo un modelo de diferencias finitas, la misma idea de MODFLOW. Gira el bloque, pon un pozo, sube el río o mete una falla, y mira por dónde se va el agua.

¿Primera vez? Mira el tutorial (6 min): qué significan los colores y las líneas, y cómo usar el modelo

Parte de cero: cómo girar y acercar el bloque, qué es cada color, adónde va cada línea de flujo, el corte, los experimentos y los números de abajo.

La idea en un minuto

La carga es la «altura» del agua

Cada punto del acuífero tiene una carga hidráulica: la cota a la que subiría el agua en un piezómetro (altura + presión). El agua baja de mayor a menor carga, como una pelota cuesta abajo.

Equipotenciales = curvas de nivel

Los puntos de igual carga forman superficies (en el corte se ven como líneas). Arriba, en el nivel del agua, son las isopiezas del mapa. Juntas significan pendiente fuerte; separadas, pendiente suave.

Las líneas de flujo cortan en ángulo recto

El agua cruza las equipotenciales de forma perpendicular (si el material deja pasar igual en todas direcciones). Entra donde llueve, viaja por el acuífero y sale al río, por el valle o a un pozo.

El modelo

Experimentos
Acuífero
Río
Pozo
Vista
calculando…
termina en el río sale por el valle termina en el pozo sale del río (el río pierde) carga: bajaalta
Arrastra para girar · rueda o dos dedos para acercar · el agua corre de derecha (cabecera) a izquierda (salida)
Recarga
—
L/s
El río gana
—
L/s neto
Tramo de arriba / de abajo
—
L/s (+ gana, − pierde)
Sale por el valle
—
L/s
Del pozo sale del río
—
% del caudal
Descenso en la celda del pozo
—
m
Balance
—
entra − sale
—

Qué mirar en cada experimento

① Valle natural · ¿por qué todas las líneas terminan en el río o salen por el valle?
Respuesta
El río es la parte más baja del nivel del agua: es un río que gana. La lluvia que se infiltra en las laderas forma un domo y el agua baja hacia el río. En la vista de planta las isopiezas forman una V que apunta aguas arriba al cruzar el río: es la firma de un río ganador. En el corte se ve que el agua no va «en línea recta»: baja y vuelve a subir hacia el río, y las líneas que nacen lejos van más hondo.
② Pozo lejos del río · ¿de dónde sale el agua del pozo si está a casi 2 km del río?
Respuesta
Al principio sale del almacenamiento del acuífero, pero en régimen permanente (lo que muestra este modelo) tiene que salir de algún lado: de agua que antes llegaba al río o salía por el valle. Mira el indicador: aunque el pozo esté lejos, casi todo su caudal es agua que el río deja de recibir. Es la lección de C. V. Theis (1940) que resume Heath, p. 32: todo pozo termina quitándole agua a alguien; la distancia cambia cuánto tarda, no si pasa.
③ Pozo junto al río · ¿qué le pasa al río frente al pozo?
Respuesta
El cono del pozo baja el nivel bajo el cauce y el río empieza a perder agua en ese tramo: aparecen líneas verdes que salen del río y entran al pozo (recarga inducida). Es lo que pasa con muchos pozos junto a ríos en Chile, y por eso la DGA mira la conexión río–acuífero antes de otorgar derechos.
④ El río sube · ¿cuándo un río pierde agua sin que haya pozos?
Respuesta
Cuando su nivel queda más alto que el agua subterránea de los lados: aguas abajo de un embalse, en un canal elevado o en el cono de deyección de una quebrada. Las isopiezas cambian la V de sentido (apunta aguas abajo) y salen líneas verdes del cauce. El río alimenta al acuífero.
⑤ Capa de arcilla · con la rejilla abajo, ¿por qué el pozo baja mucho más y casi no se nota arriba?
Respuesta
La arcilla deja pasar muy poca agua: separa un acuífero libre arriba de uno confinado abajo. El pozo con rejilla abajo solo «ve» el acuífero de abajo, que tiene menos espesor y recibe agua de lado o goteando a través de la arcilla: el descenso es grande. En el corte, las equipotenciales se juntan dentro de la arcilla (ahí está casi toda la pérdida de carga). Cambia la rejilla a «arriba» y compara.
⑥ Falla impermeable · ¿qué hace el agua al llegar a la falla?
Respuesta
No puede cruzarla: el nivel sube aguas arriba de la falla y baja aguas abajo (en la planta, las isopiezas se amontonan sobre la falla). El agua de arriba sale al río antes de la falla: en el terreno se vería como vertientes o vegas alineadas. Es una de las razones por las que el mapa geológico va antes que cualquier modelo.

La máquina por dentro

Las ecuaciones y cómo se resuelven

Darcy (el caudal por unidad de área es proporcional a la pendiente de la carga) más conservación del agua (lo que entra a un volumen menos lo que sale es cero en régimen permanente) dan ∇·(K ∇h) + q = 0.

El acuífero se divide en 50 × 33 × 10 = 16.500 celdas de 120 × 121 × 6 m. En cada celda: suma de caudales con sus seis vecinas (cada uno con la conductividad media armónica entre las dos celdas) + recarga − pozo + intercambio con el río = 0. Son 16.500 ecuaciones que se resuelven juntas con gradiente conjugado precondicionado, como el paquete PCG de MODFLOW, hasta que el error relativo es menor que 10⁻¹¹ (por eso el balance cierra).

Bordes: fondo, laderas y cabecera impermeables; salida del valle con carga fija; recarga en toda la superficie salvo el río; el río intercambia agua con la celda de abajo según la diferencia de nivel y lo permeable de su lecho (como el paquete RIV de MODFLOW). La conductividad vertical es la décima parte de la horizontal, lo típico en rellenos aluviales.

Las líneas de flujo se trazan con la velocidad interpolada entre las caras de cada celda, como hace MODPATH.

Cómo se verificó: entre dos cargas fijas el nivel sale lineal (error de 10⁻⁷ m) y el caudal es K·i·A exacto; con recarga hacia un río, la diferencia de nivel sale igual a la de Dupuit (R·L²/2T); el campo es simétrico respecto del río y el balance cierra en todos los experimentos.

Lo que este modelo no ve

• Régimen permanente: muestra cómo queda todo cuando ya se estabilizó; no cuánto tarda. El tiempo está en el simulador del ensayo de bombeo.

• Espesor constante: trata el acuífero como confinado aunque arriba sea libre (el espesor no cambia cuando baja el nivel). Para descensos chicos frente a 60 m de espesor la diferencia es menor; con descensos grandes, un modelo real usa capas libres.

• Capas homogéneas: un valle real tiene lentes, paleocauces y cambios de facies; ahí está el trabajo del geólogo.

• Sin densidad ni química: no ve la intrusión salina ni el transporte de contaminantes (eso es otro modelo: SEAWAT, MT3D).

• Ni la zona no saturada: la recarga llega directo al nivel del agua.

• Celdas de 120 m: el descenso que muestra es el promedio de la celda del pozo; en el pozo mismo el agua baja más (la corrección de Thiem para el radio del pozo, que el modelo no hace).

Para una memoria o una tesis, este modelo sirve para entender y para explicar; el modelo del proyecto se hace con MODFLOW o FEFLOW y se presenta con su calibración (la guía del SEA dice cómo).

El software de verdad

Todos resuelven las mismas ecuaciones, con más capas, más tiempo y datos reales. Los que se usan en Chile (la guía de modelos del SEA los recomienda en su tabla 1):

MODFLOW 6 + ModelMusegratis

El estándar del USGS, con la interfaz gráfica ModelMuse (Windows). Con MODPATH dibuja las líneas de flujo en 3D, como aquí.

FloPygratis · Python

Arma y corre modelos de MODFLOW con código. Si te gusta programar, es la forma más rápida de aprender.

FREEWATgratis · QGIS

MODFLOW dentro de QGIS: arma el modelo sobre los mapas.

GMS · Groundwater Vistas · Visual MODFLOWpagados

Interfaces comerciales de MODFLOW, las que más se ven en consultoras.

FEFLOWpagado

Elementos finitos (DHI): mallas que siguen la geología, densidad variable y transporte. Muy usado en minería.

Leapfrogpagado

El modelo geológico 3D (el mismo que se usa en exploración minera) es la base del modelo conceptual; desde ahí se arma la grilla del modelo de flujo.

¿Quieres correr el modelo de verdad?

Este valle también está en el Laboratorio MODFLOW: ahí lo corre MODFLOW 6 (el programa del USGS que se usa en los estudios del SEIA), con calibración contra piezómetros, zona de captura de cada pozo y el modelo descargable para ModelMuse.