Estudio experimental y numérico de la formación de un lente de agua dulce en una isla bidimensional

Abstract

El problema de la intrusión salina en acuíferos costeros de las islas del mundo, se ha convertido en la principal causa de degradación de la calidad del agua en las zonas pobladas cercanas a costas, debido a la instalación de pozos en las cercanías del mar y el desconocimiento de la dinámica de las formaciones acuíferas subterráneas, que son abastecidas únicamente por una recarga producida por las precipitaciones que caen sobre estos cuerpos de tierra. Motivado por esto, el presente trabajo se enfoca en la implementación de un modelo experimental y numérico que simule la formación de un lente de agua dulce en una isla bidimensional, con el fin de estudiar la forma y profundidad de la interfaz de densidad en régimen permanente entre el agua de mar y dulce entrante, y la influencia de la recarga superficial y la conductividad hidráulica sobre este proceso, para analizar la validez de las soluciones analíticas existentes para las dimensiones del montaje y la relevancia de los parámetros hidrogeológicos sobre la dinámica de la formación de acuíferos costeros. Para esto, se diseñó y construyó un montaje experimental que simula las condiciones de nivel de mar en la costa y recarga superficial uniforme sobre la superficie de la isla. Se realizaron seis experimentos de laboratorio, considerando tres recargas superficiales de agua dulce teñida con colorante y dos conductividades hidráulicas distintas, que fueron caracterizadas por ensayos de permeámetro de carga constante. Se tomó registro de cada experiencia mediante fotografías de la evolución del fenómeno hasta alcanzar el estado estacionario. Mediante el análisis de imágenes de los experimentos, se logró identificar la interfaz y el alcance de la parte central para distintos tiempos. El modelo numérico fue construido en el paquete computacional COMSOL, utilizando un modelo de flujo de dos fases en medios permeables. El problema se modeló como flujo de dos fases miscibles y los parámetros relevantes se asignaron de acuerdo a las propiedades del suelo y las condiciones de borde e inicial según lo observado en el montaje experimental. Los resultados fueron comparados cualitativa y cuantitativamente con lo encontrado mediante el análisis de imágenes de los experimentos y las soluciones teóricas. Además, se aplicó una de las soluciones analíticas estudiadas al caso de la Isla de Pascua, con el fin de estimar la profundidad de la interfaz y el nivel freático. Se obtuvo que el montaje experimental fue capaz de reproducir la forma y evolución de la interfaz en el tiempo, validando las soluciones analíticas existentes para una razón de aspecto límite entre la profundidad máxima del lente y el ancho de la isla de 1:5, ratificando lo obtenido por Dose et al.,2014. Por otro lado, el modelo numérico arrojó buenos resultados para la granulometría más gruesa. Se encontró también, que la conductividad hidráulica es el parámetro que condiciona prioritariamente el alcance del lente de agua dulce, mientras la recarga sólo tiene una influencia menor en el inicio del proceso transiente del acuífero en formación.