Aproximación de la recarga de agua subterránea en el norte del Departamento del Cauca, Colombia
Estimating groundwater recharge in the geographical valley of the Cauca River, north of the Cauca Department
Ing. Cristo Facundo Pérez,I M.Sc. Andrés Echeverri-Sánchez,I PhD. Norberto Urrutia-Cobo,I
IUniversidad del Valle, Facultad de Ingeniería, Escuela EIDENAR-Grupo de Investigación REGAR, Cali, Colombia.
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RESUMEN
Las aguas subterráneas representan una importante alternativa para el desarrollo de actividades socioeconómicas en regiones donde la oferta de agua superficial no satisface las necesidades o su calidad es deficiente. Sin embargo, su aprovechamiento debe estar en función del conocimiento de su oferta. El norte de Departamento del Cauca es una zona con un importante desarrollo agrícola e industrial, donde se viene presentando extracciones de aguas subterráneas sin conocimiento del volumen ofertado. El objetivo del presente estudio fue estimar la recarga del acuífero como herramienta para su gestión en las actividades desarrolladas en la región. En este sentido, la recarga anual del acuífero fue estimada mediante balance hídrico, partiendo de la definición de un volumen de control delimitado con la hidrogeología del acuífero, e identificando los componentes de recarga (precipitación, agua de riego, y caudal superficial de entrada) y descarga (Evapotranspiración real, caudal de extracción por bombeo, y caudal superficial de salida). El volumen de recarga anual calculado fue de 56 x106 m3, indicando la disponibilidad del recurso hídrico subterráneo para potencializar las actividades socioeconómicas en la zona, bajo una planeación optima del recurso.
Palabras clave: contenido balance hídrico, gestión de las aguas subterráneas, Valle Geográfico río Cauca.
ABSTRACT
Groundwater represents an important alternative toward development of socioeconomic activities in regions where freshwater either does not meet the needs or quality is poor. Nonetheless, its use must be based on its availability. Northern Cauca Department is a flat area with continue agricultural and industrial growth, especially due to groundwater development, which withdrawal is being without any knowledge of the volume offered by the local aquifer. This study aimed to estimate the groundwater recharge as a management and planning tool in both productive activities and human supply. Therefore, the annual aquifer recharge was estimated by water balance. Firstly, a control volume was defined through delineating the hydrogeological boundaries. Then, recharge (rainfall, irrigation water, and surface inflow) and discharge (real evapotranspiration, pumped water, and surface outflow) components were quantified. In conclusion, the annual recharge was about 56 x106 m3, showing the availability of groundwater resources in order to potentiate socioeconomic activities in the region.
Key words: Geographical Valley of Cauca River, groundwater management, water balance.
INTRODUCCIÓN
]]> Un acuífero se define como aquella formación geológica ubicada debajo de la superficie del suelo, capaz de almacenar suficiente agua y transmitirla a una velocidad tal, que pudiera ser aprovechada (Kasenow, 2001). Por este motivo, las aguas subterráneas han sido tradicionalmente consideradas como fuentes hídricas para propósitos domésticos, industriales o agrícolas. Su calidad, generalmente buena, y su accesibilidad en muchas regiones del mundo, donde el agua superficial es escasa o extremadamente costosa para usarse, han sido los principales factores para estimular el aprovechamiento de esta relativamente económica y confiable fuente hídrica (Karamouz et al., 2011)En su estado natural, sin ningún tipo de intervención, un estado de cuasi-equilibrio se mantiene con flujos de entrada igual a los flujos de salida en el acuífero. Parte de la recarga puede ser interceptada por el bombeo, reduciendo de este modo el flujo de salida y estableciendo un nuevo cuasi-equilibrio (Bear & Cheng, 2010). Sin embargo, en algunas regiones, especialmente donde la lluvia es escasa y los suelos son útiles para desarrollar actividades socioeconómicas, el aprovechamiento de los acuíferos puede ser tan intensivo que -sobre todo el sector privado- supera las capacidades de control ejercidas por la autoridad reguladora del agua, al mismo tiempo que lleva al acuífero a un estado de sobrexplotación (Custodio, 2002).La sobrexplotación a menudo se manifiesta en el descenso del nivel freático, deterioro de la calidad del agua, encarecimiento del agua extraída, o daños ecológicos (Bear & Cheng, 2010; Custodio, 2002). No obstante, estos efectos no necesariamente están relacionados con el hecho de que la extracción sea mayor que la recarga, sino simplemente pueden ser el resultado de interferencias transitorias en el balance de agua, cuya duración dependerá de las características del acuífero (tamaño, permeabilidad y coeficiente de almacenamiento). Por tanto, se necesitan observaciones de control, buen conocimiento del acuífero y cálculos o modelación del comportamiento, y todo ello en el marco de un conjunto de objetivos y políticas establecidas por una institución de gestión, con la implicación de aquellos que tienen un interés en el desarrollo del agua subterránea (Custodio, 2002).
En este sentido, el balance hídrico general y de aguas subterráneas es una herramienta útil; luego que permite situar el orden de magnitud e importancia relativa de los diferentes términos de entrada y salida, además de obligar a un análisis detallado del sistema o región en estudio, lo cual siempre es provechoso (Custodio G. y Llamas, 1996; He et al., 2008).
Por lo anteriormente expuesto, el objetivo del estudio fue proponer un modelo de balance hídrico regional que permita estimar una aproximación de la recarga anual en el acuífero aluvial localizado al norte del departamento del Cauca, como herramienta base para su gestión y aprovechamiento.
MATERIALES Y MÉTODOS
Localización
El área de estudio comprende una extensa zona plana-en donde se identifica el mayor potencial de aprovechamiento de aguas subterráneas del Departamento del Cauca- perteneciente a los municipios de Caloto, Corinto, Guachené, Miranda, Padilla, Puerto Tejada, Santander de Quilichao y Villa Rica (suroeste de Colombia). Este valle aluvial está conformado por la parte baja de las subcuencas de los ríos Palo, Zanjón Oscuro, La Quebrada, Desbaratado, Quinamayó, Sapera, La Tabla, La Teta, Cañaveralejo, y algunas áreas menores que drenan directo al río Cauca (elevaciones entre 950 y 1100 m.s.n.m.).
La zona de estudio se delimitó partiendo de la geomorfología de las subcuencas mencionadas anteriormente. Luego, se definieron los límites hidrogeológicos (contornos) del acuífero, lo cual determinó un área total aproximada de
61 661 hectáreas (616,6 km2). Como límites naturales fueron: norte, el río Desbaratado; este, los depósitos aluvio-coluviales (Qc) en el piedemonte de la cordillera central; sur, rocas sedimentarias de edad terciaria de la Formación Popayán; y oeste, el río Cauca. Finalmente, se afinó el contorno a través de los relieves geomorfológicos planos de inundación y abanicos recientes (Figura 1).
Todo el acuífero puede ser considerado como una sola cuenca; y en el largo plazo, todos los usuarios juntos no deben extraer más de lo que se pone a disposición en el balance hídrico, el cual tiene en cuenta todas las entradas y salidas naturales y artificiales (Bear & Cheng, 2010). En este sentido, la ecuación de balance de aguas subterráneas puede ser expresada de una manera simple como se indica en la Ec. 1 (Xu et al., 2010; Mohammadi et al., 2014):
donde: ∑in y ∑out suman los componentes de entradas y salidas que influyen en la dinámica de las aguas subterráneas durante un periodo ∆t, respectivamente; y ∆s representa la variación en el almacenamiento de agua en el acuífero. Si la Ec. 1 se desarrolla en sus componentes se obtendrían las Ecs. 2 y 3 (Karamouz et al., 2011; Mohammadi et al., 2014; Custodio G. y Llamas, 1996):
donde: Rpr, Rcn, RIr, Rta, y Qse se consideran recargas procedente de la precipitación, infiltraciones de canales, del riego agrícola, de tanques o reservorios, del caudal superficial entrante, respectivamente. Por su parte ETO, Qex, y Qss es el agua que deja de ingresar al acuífero debido a la evapotranspiración del agua subterránea, a la extracción de agua subterránea (bombeo), y al caudal superficial saliente, respectivamente. Qi y Qo son los caudales subterráneo entrantes y salientes, respectivamente.
]]> En este caso, se propuso un modelo regional de balance hídrico de la zona no saturada del acuífero –representado en la Figura 2-, por lo que se descartaron Qi y Qo. Adicionalmente se descartaron Rcn, Rta debido a que no se cuentan con registros de las dos variables.Por otro lado, ∆s equivale a la Recarga (R) –compuesta por Inf-∆h-. Por lo tanto, R (m3 ·año-1 o mm) puede ser cuantificada a través de la Ec. 4, obtenida al sustituir las Ecs. 2 y 3 en la Ec. 1:
Evaluación de parámetros del balance
Precipitación
Para el análisis de la precipitación se conformó una base de datos –con un periodo hidrológico de 31 años (1982-2013)- con registros históricos mensuales de 28 estaciones entre climatológicas, pluviográficas y pluviométricas ubicadas en la zona plana de las subcuencas de interés.
En la base climatológica: (i) se estimaron datos faltantes -vía método de proporción normal, y (ii) con el método de Weibull (Singh, 1987), se calcularon las precipitaciones de excedencia de ocurrencia del 50% (Pr50%) y 75% (Pr75%) en cada estación. Consecutivamente, prosiguió un análisis espacial mensual mediante el interpolador ordinary kriging, permitiendo analizar la distribución temporal de ambas precipitaciones (Pr50% y Pr75%). La Pr50% se empleó para estimar la Rpr (Figura 3). La Pr75%, por su lado, para calcular la precipitación efectiva (Pe), empleada en la estimación de las necesidades hídricas de cultivo (NRn).
Evapotranspiración
El agua que retorna hacia la atmosfera a menudo se estima mediante la evapotranspiración de referencia y/o de cultivo. Por lo tanto, el volumen anual de agua que deja de ingresar al acuífero debido a la evapotranspiración se estimó mediante la ETo. Este parámetro en cada estación hidroclimatológica (12 en total), se obtuvo a partir de afectar los registros mensuales multianuales del tanque evaporímetro clase A con un coeficiente de tanque de 0.75, método FAO (Allen et al., 1998). Luego, la ETo en la zona de estudio se determinó interpolando-método IDW en el software ArcGis 10.3- la probabilidad de excedencia de 50% de los 12 valores de ETo.
]]> Por otro lado, se estimaron valores de ETC con probabilidades de excedencia del 50% para los dos principales grupos de cultivos que reciben riego en la zona de estudio (caña de azúcar y pequeños cultivos). En el caso de la caña, la ETc se estimó siguiendo la metodología de CENICAÑA (Torres A et al., 2004). En el caso de pequeños cultivos la ETo se afectó por un Kc de 1.15, el cual se obtuvo ponderando el Kc (Allen et al., 1998) de los principales cultivos comerciales en la zona, y sus áreas sembradas en cada uno de los siete (7) municipios (Colombia, 2013).Caudal para Riego Agrícola
El requerimiento total de riego (NRt) está en función de las necesidades hídricas de cultivo (NRn) y las eficiencias de los sistemas de irrigación (conducción, distribución, y aplicación) para un área de riego determinada (NRt= NRn*eficiencias-1). El NRn se calculó siguiendo lineamientos de FAO (Brouwer y Heibloem, 1986), por lo que se precisó la precipitación efectiva (Pe75%), y la ETc50% y el área de influencia de cada cultivo.
Empleando la cartografía temática digital suministrada por la Corporación Autónoma Regional del Cauca (CRC), en el área de estudio se identificaron tres grandes grupos de cultivos: 60% de Caña de azúcar (31 847,2 ha), 30% en Pastos (16 776,0 ha), y 10% en Otros (5 503,9 ha), este último compuesto de variedad amplia de productos. Para el cálculo de la RNt se utilizó solamente el área de los grupos Caña y Otros, debido a que son los cultivos comúnmente regados en la región. Lo anterior permitió obtener un gráfico mensual de NRt, cuya sumatoria permitió determinar el aporte anual de la Rir.
Caudal de Demanda Actual
La CRC suministró expedientes de la mayoría de los pozos activos en la región (Tabla 1), información que sirvió por un lado para discriminar el uso del recurso en el norte del Cauca, identificar la capacidad instalada y los caudales aprovechados por cada sector socioeconómico; y por otro lado, el caudal de demanda actual de sectores agrupados (Tabla 3).
Caudal Superficial Entrante (Qse) y Caudal Superficial Saliente (Qss)
Se identificaron y analizaron cuatro estaciones hidrométricas para analizar el flujo de escorrentía (Tabla 3). Como caudal de salida se tomó el reportado para la estación El Hormiguero, situada en jurisdicción del municipio de Cali antes de la desembocadura del Zanjón Oscuro –punto de cierre del sistema. Mientras que como flujo superficial de entrada se incluyeron los caudales de las estaciones La Balsa, Buenos Aires y Puente Ferrocarril. La estación La Balsa es la más importante ya que afora el río Cauca, y está ubicada a la entrada del sistema de aguas subterráneas evaluado. El periodo hidrológico establecido fue de 30 años (1982–2012). Al registro mensual multianual de la estación Hormiguero se le restó el caudal aportado por dos corrientes de las cuencas Claro y Jamundí –cuya suma es de 238,31 m3·año-1, ubicadas del lado del departamento del Valle del Cauca (fuera del sistema analizado). El caudal de escorrentía (Qes=Qss-Qse) estableció el caudal drenado por las subcuencas al río Cauca.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
]]> Recarga por Precipitación (Rpr)En la zona de estudio se presenta un régimen de lluvias bimodal bien definido (Figura 3). La primera temporada de lluvias comprende los meses marzo, abril y mayo; seguida de una temporada seca severa que se manifiesta al inicio del mes de junio y se extiende hasta finales del mes de septiembre. En abril se reportan los mayores registros de precipitación; mientras agosto es el mes con la más baja precipitación durante todo el año. La segunda temporada de lluvias es menos intensa, y se presenta en los meses de octubre y noviembre. Finalmente se presenta la segunda temporada de verano, menos intensa, a partir del mes de diciembre hasta finales del mes de febrero.
La Recarga por precipitación es de 1 559,2 mm (suma de valores mensuales) o de 961,4 · 106 m3 ·año-1 (afectando la Pr50% anual por 616,6 km2).
Evapotranspiración de referencia (ETO)
La evapotranspiración a diferencia de la precipitación, es menos variable, y por tanto, más constante a través del año (Figura 3). En agosto se presenta el mayor valor de evapotranspiración, coincidiendo con el mes de menos precipitación.
En la zona de estudio la evapotranspiración es de 1103,3 mm o 680 · 106 m3 ·año-1(si se tiene en cuenta la extensión de la zona de estudio, 616,6 km2).
Recarga por Riego Agrícola (RIr)
El requerimiento de agua anual calculado para la caña fue de 1000 mm. Este valor es cercano al valor de uso consuntivo anual (1050-1300 mm) reportado para la caña de azúcar en el valle geográfico del río Cauca (Torres et al., 2004). Teniendo en cuenta el aporte de la precipitación efectiva, las necesidades brutas de riego anual se estimaron en 435,5 mm (eficiencias de proyecto de 55%), aplicados en cinco de los 12 meses del año (Tabla 2). Por su parte, el valor anual del uso consuntivo para el grupo de otros cultivos fue de 1 232 mm. El NRt calculado fue de 517,2 mm (eficiencias de proyecto de 75%), aplicados en ocho de los 12 meses del año (Tabla 2).
Teniendo en cuenta que el área de siembra de la caña y otros cultivos es de 329,33 km2, y 58,16 km2, respectivamente; la RIr estimada es alrededor de 281,4 mm ·año-1 (Caña=232,6 mm and otros cultivos = 48,8 mm). Esto es equivalente a 173 · 106 m3 ·año-1 (RIr-caña= 143 · 106 ·m3 ·año-1 y RIr-otros= 30 · 106 m3 ·año-1).
Caudal de Extracción (Qex)
]]> Se encontró que principalmente el agua subterránea es empleada en agricultura (Tabla 1); y el municipio con mayor cantidad de pozos destinados a esta actividad es Puerto Tejada. Mientras que en los municipios de Miranda y Santander de Quilichao se concentran los pozos para uso industrial (segundo sector con mayor uso de pozos).Por otro lado, aunque pareciera que la lámina de Qex para la actividad agropecuaria (Tabla 3) dista de la lámina estimada para riego de caña y otros cultivos (281,4 mm ·año-1). Al afectar el caudal de extracción de este sector
(92,1 · 106 m3 ·año-1) por la superficie regada en la zona de estudio (38 749 ha) se obtiene una lámina de 237,7 mm año-1. Valor muy cercano al encontrado en la Tabla 3. Es importante resaltar que algunos pozos activos –que riegan cultivos de cañas y otros- no fueron tenidos en cuenta en la capacidad instalada, y que el agua superficial concesionado para riego tampoco fue tenido en cuenta. En este sentido, el modelo propuesto puede ser progresivamente refinado para alcanzar algunos objetivos, especialmente aquellos relacionados con la sostenibilidad del acuífero, y marcos normativos para su aprovechamiento (Custodio, 2002).
Caudal Superficial Entrante (Qse) y Caudal Superficial Saliente (Qss)
Los caudales de entrada y salidas indican que Qss>Qse (Tabla 4), por lo que hay un caudal de escorrentía que se genera en toda la cuenca de norte del Cauca (3524,7 km2), el cual no ingresa a recargar el acuífero, y sale a través de las fuentes hídricas superficiales hacia el río Cauca. De este modo, el valor estimado de escorrentía en la zona de estudio es de 406,5 mm·año-1 (25·106 m3 ·año-1).
Recarga (R)
Remplazando los componentes del balance hídrico en la Ec. 2, en el norte del Departamento del Cauca se tendría una Recarga (R) anual en el acuífero de 92,0 mm (Tabla 4), equivalente a una recarga aproximada de 911 m3 por hectárea. Las variables más importantes de recarga y descarga del sistema serían la precipitación y la evapotranspiración, respectivamente. Sin embargo, son los parámetros sobre los cuales se tienen menos control. En ese sentido el caudal de escorrentía adquiere importancia. Acciones tales como evitar quemas, perdida de cobertura vegetal y buenas prácticas en los principales ríos pueden servir para regular la subcuenca y mantener el volumen que recarga el acuífero.
Esta aproximación de la recarga del recurso hídrico subterráneo en el norte del Departamento del Cauca será más útil en la medida que los valores computados en cada componente sean más fieles a la realidad. Es por esto que se recomienda recopilar información de los componentes al menos trimestralmente (Tabla 5).
CONCLUSIONES
]]> Si bien la propuesta del balance hídrico de aguas subterráneas es un aproximación del proceso de recarga en el acuífero localizado al norte del Departamento del Cauca, permite identificar que existe un volumen de recurso hídrico que podría potencializar las actividades socioeconómicas que se vienen desarrollando en la región. Cabe anotar, que ese futuro aprovechamiento requiere una convergencia en los intereses de los diversos actores. En este sentido, la reglamentación de su uso llevará a una verdadera sostenibilidad del acuífero.
AGRADECIMIENTOS
A la Corporación Autónoma Regional del Cauca (CRC ) por el apoyo financiero a través de los convenios 0330 de 2013 y 0233 de 2015; y a la Universidad del Valle por facilitar otros recursos indispensables para la realización de este proyecto.
Notas al pie
1 Contiene apartes de los informes elaborados por el Grupo REGAR en el marco de los Convenios Interadministrativo 0330-2013, 0233-2015 celebrado entre CRC/UNIVALLE.
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Recibido: 14 de febrero de 2015
Aprobado: 14 de marzo de 2016
Ing. Cristo Facundo Pérez, Universidad del Valle, Facultad de Ingeniería, Escuela EIDENAR-Grupo de Investigación REGAR, Cali, Colombia. Email: crifep@gmail.com
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