103543 by UNIGIS América Latina

Master Thesis ǀ Tesis de Maestría submitted within the UNIGIS MSc programme presentada para el Programa UNIGIS MSc at/en

Interfaculty Department of Geoinformatics- Z_GIS Departamento de Geomática – Z_GIS University of Salzburg ǀ Universidad de Salzburg

Propuesta metodológica para la prospección de Acuíferos Subterráneos usando métodos de análisis espacial en el departamento del Cesar, Colombia Methodologic proposal for underground aquifers prospection using spatial analyses methods in the Departamento del Cesar, Colombia by/por

Suann Semiramis Rincón Rivera 01323690 A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the degree of Master of Science (Geographical Information Science & Systems) – MSc (GIS)

Bogotá – Colombia, 04 de diciembre del 2018

Compromiso de Ciencia Por medio del presente documento, incluyendo mi firma personal certifico y aseguro que mi tesis es completamente el resultado de mi propio trabajo. He citado todas las fuentes que he usado en mi tesis y en todos los casos he indicado su origen.

Bogotรก, 04 de diciembre del 2018 _______________________________________________________________________ (Lugar, Fecha) (Firma)

iii

RESUMEN

Esta tesis presenta una metodología que utiliza análisis espacial para la prospección de acuíferos subterráneos. En Colombia, esta identificación se realiza de forma directa a través de sondeos geoeléctricos. Estos estudios tienen un alto costo y no siempre garantizan un resultado de caudales suficientes para el abastecimiento de acueductos. El área seleccionada es el departamento del Cesar, ubicado en la región más árida de Colombia. Tienen una alta demanda de las aguas subterráneas por un desabastecimiento de aguas superficiales. La metodología propuesta está basada en análisis y métodos propuestos por autores que estudiaron áreas con condiciones climáticas similares a la región seleccionada. Esta propuesta implementa análisis geoespaciales con factores de la superficie de los terrenos analizados para identificar áreas con potencial hidrogeológico. El estudio muestra el potencial de los Sistemas de Información Geográficas (SIG) para analizar de manera espacial diferentes aspectos del territorio que determinan un fenómeno natural. Para el estudio se procesaron de forma conjunta los factores de litología, precipitación, cobertura, pendiente y densidad de drenaje. Se convirtieron características del orden cualitativo en cuantitativo al asignarles valores ponderados para poder distribuirlos en intervalos de clase. Esta distribución se dio en función de facilitar la infiltración y el almacenamiento de agua. Se determinó un alto potencial de agua subterránea para las zonas donde se dio un efecto combinado de suelos permeables, presencia de precipitaciones, cobertura pobre y pendientes suaves. Se demostró que con el análisis espacial se pueden discriminar las áreas con potencial hidrogeológico. Esta metodología se puede aplicar para los demás departamentos de Colombia y otros países para reducir la incertidumbre al momento de seleccionar los sitios. Palabras claves: aguas subterráneas, aridez, infiltración, análisis espacial, hidrogeología.

ABSTRACT

This thesis presents a methodology that uses spatial analysis for prospecting underground aquifers. In Colombia, this search is carried out directly through geoelectrical probing, which is expensive and does not guarantee locating sufficient flow to supply aqueducts. The study area is the Departamento del Cesar, located in the most arid region of Colombia, where there is a high demand for underground water due to surface water shortages. The applied methodology is based on the analyses and methods used by authors who investigated areas with similar climatic characteristics to the study area. This proposal runs geospatial analyses which includes the surface factors of the selected area to identify the hydrogeological potential. The study shows the potential of Geographic Information System (GIS) to analyze spatially, the different aspects of the natural phenomena of the territory. Lithology, precipitation, coverage, slope and drainage density factors were jointly processed; and qualitative characteristics were converted into quantitative weighted values that were assigned to allow the distribution into class intervals. These distributions were done with the aim to determine the infiltration and water storage capacity. A high potential of underground water was found in areas where there was a combination of permeable soil, rainfall, poor coverage and soft slope. It was proved that with spatial analysis, areas with hydrogeological potential can be determined. This methodology is applicable to other departments in Colombia and other countries to reduce uncertainty when selecting sites. Key words: underground water, arid, infiltration, spatial analysis, hydrogeology.

ABREVIATURAS Et al. Ha Km Km2 mm p shp

Y otros Hectárea Kilómetro Kilómetro cuadrado Milímetro Página Shape

GLOSARIO AHP ANLA CORPOCESAR ENA EPA ICDE IGAC IDEAM FUNDESMAG MAGNA MAVDS NASA PMAA PNGIRH SIAC SIG SIG-OT SIRGAS SGC SSD

Analytic hierarchy process Agencia Nacional de Licencias Ambientales Corporación Autonóma Regional del Cesar Estudio Nacional del Agua Environmental Protection Agency Instituto Colombiano de Datos Espaciales Instituto Geográfico Agustín Codazzi Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia Fundación de Ecopetrol para el desarrollo del Magdalena Medio Marco Geocéntrico Nacional de Referencia Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Sostenible National Aeronautics and Space Administration Plan de Manejo Ambiental del Acuífero Política Nacional para la Gestión Integral del Recurso Hídrico Sistema de Información Ambiental de Colombia Sistemas de Información Geográfica Sistema de información geográfica para la planeación y el ordenamiento territorial de Colombia Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas Servicio Geológico Colombiano Sistema de Soporte de Decisiones

TABLA DE CONTENIDO CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 11 1.1

ANTECEDENTES ................................................................................................. 11

1.2

OBJETIVOS Y PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ................................................... 12

1.2.1 1.2.2 1.2.3

OBJETIVO GENERAL .................................................................................................................... 12 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................. 12 PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN ................................................................................................ 13

1.3

HIPÓTESIS .......................................................................................................... 13

1.4

JUSTIFICACIÓN................................................................................................... 13

1.5

ALCANCE ............................................................................................................ 14

CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE LITERATURA .............................................................................. 16 2.1

MARCO HISTÓRICO ........................................................................................... 16

2.1.1 2.1.2 2.1.3

CARACTERIZACIÓN HIDROGEOLÓGICA NACIONAL .................................................................... 16 EVALUACION DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS LOCALES ............................................................. 17 SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA ............................................................................... 19

2.2

MARCO TEÓRICO ............................................................................................... 21

2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6

AGUA SUBTERRÁNEA .................................................................................................................. 21 RECARGA DE AGUAS SUBTERRÁNEAS ........................................................................................ 22 LA RECARGA: ESTIMACIÓN Y DIFERENCIACIÓN.......................................................................... 23 FACTORES QUE CONTROLAN EL ALMACENAMIENTO DE AGUA SUBTERRÁNEA ....................... 24 MODELACIÓN DE LOS PROCESOS DE RECARGA ........................................................................ 26 ANÁLISIS DE LA IDONEIDAD: LA SELECCIÓN DE SITIO ................................................................ 29

2.3

MARCO METODOLÓGICO.................................................................................. 29

CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA ............................................................................................... 35 3.1

DELIMITACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO ............................................................. 37

3.2

SELECCIÓN DE FACTORES DE ESTUDIO ............................................................. 41

3.3

OBTENCIÓN DE INFORMACIÓN DE BASE .......................................................... 41

3.4

VALORACIÓN DE LOS FACTORES QUE CONDICIONAN LA RECARGA Y EL

ALMACENAMIENTO DE AGUA SUBTERRÁNEA............................................................. 42 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5

LITOLOGÍA (TIPO DE ROCA)......................................................................................................... 43 COBERTURA DEL SUELO (VEGETACIÓN) ..................................................................................... 45 PRECIPITACIÓN ........................................................................................................................... 46 PENDIENTE .................................................................................................................................. 47 DENSIDAD DE DRENAJE .............................................................................................................. 48

3.5

ASIGNACIÓN DE PESOS A CADA FACTOR PARA RECLASIFICAR ......................... 49

vii

CAPÍTULO 4. RESULTADOS................................................................................................... 53 4.1

RESULTADOS ..................................................................................................... 53

4.1.1 LITOLOGÍA (TIPO DE ROCA)......................................................................................................... 53 4.1.2 COBERTURA ................................................................................................................................ 55 4.1.3 PRECIPITACIÓN ........................................................................................................................... 56 4.1.4 PENDIENTE .................................................................................................................................. 58 4.1.5 DENSIDAD DE DRENAJE .............................................................................................................. 59 4.1.6 MAPA DE POTENCIAL UBICACIÓN DE ACUÍFEROS SUBTERRÁNEOS (POTENCIAL HIDROGEOLÓGICO) .................................................................................................................................. 62

4.2

DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................................................. 64

4.2.1

COMPARATIVA CON RESULTADOS DE METODOLOGÍAS DIRECTAS ........................................... 68

CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES .............................................................................................. 71 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 73

viii

LISTA DE FIGURAS Figura 1 Sistemas de flujo y zonas de recarga y descarga .................................................. 22 Figura 2 Los mecanismos de recarga en un área semi-árida ............................................. 23 Figura 3 factores que controlan el almacenamiento de agua ............................................ 25 Figura 4 Modelo de recarga de agua subterránea basado en el concepto de balance hídrico .................................................................................................................................. 27 Figura 5 Diagrama de flujo de la metodología para la determinación de zonas potenciales para hallar agua subterránea .............................................................................................. 30 Figura 6 Diagrama de flujo que muestra la metodología adoptada para la evaluación del mapa de la zona potencial de aguas subterráneas de la cuenca de Gangolli ..................... 32 Figura 7 Representación esquemática de los factores manipulados en el sistema SIG .... 33 Figura 8 Flujo metodológico ............................................................................................... 36 Figura 9 Valores asignados a los intervalos de clase ........................................................... 43 Figura 10 Potencial de la litología ....................................................................................... 44 Figura 11 Incremento del potencial hidrogeológico en función de la porosidad ............... 44 Figura 12 La interceptación de la vegetación en la recarga de acuíferos .......................... 45 Figura 13 Uso de Reclassify para los datos de pendiente ................................................... 49 Figura 14 Uso de herramienta Weighted Overlay con los mapas reclasificados .............. 50 Figura 15 Porcentajes asignado a los factores .................................................................... 52 Figura 16 Comparación de porcentajes de cobertura para el potencial hidrogeológico... 62 Figura 17 Comparación de los mapas resultado de la propuesta ....................................... 67 Figura 18 Importancia hidrogeológica de las provincias hidrogeológicas del Cesar .......... 69 Figura 19 Comparación resultados técnicas tradicionales vs propuesta ........................... 70

LISTA DE MAPAS

Mapa 1 Provincias hidrogeológicas del Cesar .................................................................... 18 Mapa 2 Mapa de ubicación del área de estudio ................................................................ 38 Mapa 3 Mapa de índice de aridez ...................................................................................... 40 Mapa 4 Potencial hidrogeológico del factor de litología ................................................... 54 Mapa 5 Potencial hidrogeológico de la vegetación en el Cesar ......................................... 56 Mapa 6 Potencial hidrogeológico de la precipitación en el Cesar ..................................... 57 Mapa 7 Potencial hidrogeológico de la pendiente en el Cesar .......................................... 59 Mapa 8 Potencial hidrogeológico de la densidad de drenajes en el Cesar ........................ 61 Mapa 9 Potencial hidrogeológico del departamento del Cesar ......................................... 63

LISTA DE TABLAS Tabla 1 Principales factores que influyen en el almacenamiento de agua subterránea ... 25 Tabla 2 Clases de los factores en función del potencial de almacenamiento..................... 34 Tabla 3 Fuentes de los datos espaciales ............................................................................. 41 Tabla 4 Asignación de valores a los factores que condicionan la recarga y el almacenamiento .................................................................................................................. 42 Tabla 5 Valores de reclasificación para litología ................................................................ 45 Tabla 6 Valores de reclasificación para cobertura del suelo (vegetación) ......................... 46 Tabla 7 Valores de reclasificación para precipitación ........................................................ 47 Tabla 8 Valores de reclasificación para pendiente ............................................................. 48 Tabla 9 Valores de reclasificación para densidad de drenaje ............................................ 49 Tabla 10 Asignación de pesos a los factores para la reclasificación................................... 51 Tabla 11 Resultados del factor de litología ......................................................................... 53 Tabla 12 Porcentajes de cobertura de la vegetación por probabilidad .............................. 55 Tabla 13 Porcentajes de cobertura de la precipitación por probabilidad .......................... 56 Tabla 14 Porcentajes de cobertura de la pendiente por probabilidad ............................... 58 Tabla 15 Porcentajes de cobertura de la densidad de drenaje por probabilidad .............. 60 Tabla 16 Porcentajes de cobertura de cada uno de los rangos de probabilidad ................ 62 Tabla 17 Tipo de roca, potencial hidrogeológico ............................................................... 79

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.1 ANTECEDENTES En Colombia se está presentando con más frecuencia desabastecimiento de agua para los acueductos locales, ya sea por difícil acceso a las aguas superficiales o incremento de la demanda (IDEAM, 2014). Esta disminución progresiva de la oferta hídrica ha obligado a las alcaldías a realizar cada vez más frecuentemente el abastecimiento a partir de las aguas subterráneas (Rodríguez, 2009).

El gobierno de Colombia en el 2010 presentó el Estudio Nacional del Agua –ENA- y en el 2014 lo actualizó. El ENA, en el capítulo correspondiente a oferta y uso del agua subterránea en Colombia, presenta las Zonas Hidrogeológicas Homogéneas de Colombia, que son unidades con escalas entre 1:5.000 y 1:10.000.000, que indican la distribución y estado del recurso hídrico subterráneo regional. El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia –IDEAM– (2014) indica que el área geográfica Caribe, comprendida por los departamentos del Cesar, Bolívar, Sucre, Magdalena y la Guajira, es caracterizada por índices de aridez entre moderados a altamente deficitarios. Por ende, gran parte de los centros urbanos y rurales utilizan el agua subterránea como fuente alterna de abastecimiento (IDEAM, 2010).

Las perforaciones para hacer pozos de agua subterránea se realizan de forma puntual. Primero se realiza una caracterización hidrogeológica, luego se eligen los sitios para hacer los estudios geo-eléctricos y con esos resultados se perfora. Una vez elaborados los pozos, se han presentado casos en donde se encuentra el agua pero el volumen es insuficiente para surtir el acueducto, conllevando al abandono del pozo y la pérdida de la inversión (Mejía, L.

Fundesmag, Comunicación personal, 2014). Para el proceso de

identificación de zonas potenciales para el hallazgo de aguas subterráneas confluyen múltiples factores cuantitativos y cualitativos que precisan de un análisis simultáneo. El IDEAM, como entidad encargada de cuantificar los reservorios ha implementado los

Sistemas de Información Geográfica (SIG) para gestionar la información y facilitar la toma de decisiones (IDEAM, 2010).

A nivel internacional, el uso de SIG para la determinación de aguas subterráneas, ha sido aplicado para estudios a nivel exploratorio de regiones vulnerables por la escasez del recurso. También para evaluar métodos económicos de estimar sitios con potencialidad para adelantar proyectos de abastecimiento (Al Saud, 2010; Avinash, Deepika y Jayappa, 2013; Chowdhury, Jha y Chowdary, 2010).

En países latinoamericanos se han implementado estudios de caso y se han presentado seminarios enfocados en evaluar indicadores superficiales, importantes para estimar sitios con potencial para el hallazgo de aguas subterráneas. Los esfuerzos coinciden en que se aplique la capacidad del SIG para procesar información secundaria para priorizar sitios viables y disminuir el riesgo de la inversión (Esteller, Quentin y Díaz-Delgado, 2002; Ribeiro, Rocha y Garcia, 2011; Vélez y Vásquez, 2007).

1.2 OBJETIVOS Y PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Analizar la prospección de acuíferos subterráneos en el departamento del Cesar, Colombia, usando métodos de análisis geoespacial. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS -

Identificar áreas con potencial hidrogeológico en el departamento del Cesar, Colombia.

Evaluar la información superficial del departamento del Cesar usando métodos de análisis espacial para realizar la prospección de acuíferos subterráneos.

Determinar y analizar factores importantes para el análisis de acuíferos subterráneos en el departamento del Cesar.

1.2.3 PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN ¿Se puede identificar áreas con potencial hidrogeológico en el departamento del Cesar por medio del análisis espacial? ¿El análisis espacial permite evaluar la información superficial del departamento del Cesar? ¿El análisis espacial permite categorizar los factores de importancia en el análisis de los acuíferos subterráneos en el departamento del Cesar?

1.3 HIPÓTESIS La evaluación conjunta de factores como la disponibilidad de precipitación, la litología, la pendiente, el tipo de drenaje y la cobertura del suelo permiten priorizar sitios de almacenamiento de aguas subterráneas en el departamento del Cesar, Colombia.

1.4 JUSTIFICACIÓN El Estudio Nacional del Agua (ENA) llama la atención sobre el limitado conocimiento de los sistemas acuíferos del territorio nacional porque en Colombia se han realizado pocos estudios hidrogeológicos. El desarrollo de modelos hidrológicos locales se sigue desarrollando de formas tradicionales como son la prospección geoeléctrica y la perforación de pozos exploratorios (IDEAM, 2010).

La creciente demanda de aguas subterránea, implica el uso de nuevas técnicas para estimar los acuíferos y disminuir el riesgo de la inversión de la extracción. También es necesario que sean ajustables a escenarios locales, para facilitar el seguimiento al uso del recurso y evitar la sobreexplotación (IDEAM, 2014). En este marco el IDEAM indica que en el departamento del Cesar se realiza un importante porcentaje del abastecimiento de sus acueductos locales por medio de pozos profundos. Por estas características se eligió este departamento como el área de estudio.

Esta opción se basa en métodos propuestos por otros autores en diferentes países. Se presenta como alternativa a las actuales técnicas de caracterización de aguas subterráneas en Colombia, basadas en la construcción de modelos hidrogeológicos. Estos modelos requieren el uso de equipos costosos, y difícilmente pueden ser costeados por autoridades ambientales regionales. El método propuesto por ser indirecto es más económico que el de sondeos geoeléctricos.

Según el ANLA (2013) los datos generados por las nuevas técnicas deben ser compatibles con los datos espaciales del Instituto Colombiano de Datos Espaciales (ICDE), que consolida la información espacial del Sistema de Información Ambiental de Colombia (SIAC). Así se facilita la consulta de la información en los visores de las entidades y su uso por parte de los funcionarios que administran el recurso. En Colombia el formato de presentación de los informes de uso de los recursos naturales es una geodatabase con un metadato detallado. Esto permite la ubicación espacial de los diferentes proyectos y la consulta de su información inherente al revisar las tablas de atributos. Esto aún no se aplica a los acuíferos subterráneos, solo a los superficiales (ANLA, 2013).

1.5 ALCANCE Se plantea una metodología que permita priorizar zonas con potencial de tener aguas subterráneas para instalar pozos de estudio en el departamento del Cesar, Colombia. Esto se haría a partir del procesamiento conjunto de factores identificados por otros autores, como relevantes en la infiltración y el almacenamiento del agua subterránea.

Se usará la información georreferenciada administrada por el Sistema de Información Geográfica para la Planeación y el Ordenamiento Territorial Nacional –SIGOT-. Esta entidad facilita el acceso y uso de los mapas base generados por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi -IGAC-, la Agencia Nacional de Licencias Ambientales -ANLA-, el Servicio Geológico Colombiano -SGC-, etc. Es una estrategia para apoyar la toma de decisiones de las autoridades a nivel nacional, regional y local.

Los límites del área de trabajo serán los departamentales y se trabajara en el sistema de coordenadas proyectadas MAGNA (Marco Geocéntrico Nacional de Referencia) Colombia Bogotá, con la proyección Transverse Mercator y el datum MAGNA-SIRGAS (Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas). Se buscara la información necesaria para trabajar en una escala más grande (1: 100.000) a la disponible (1:500.000) y así realizar un planeamiento más detallado que sirva a nivel departamental.

En lo referente a la

resolución, se calcula a partir de la escala del mapa, si se espera trabajar en una escala de 1:100.000 la resolución será de 30 mts (Cabrera, Galindo y Vargas, 2011).

Se espera que los factores de litología, precipitación, cobertura, pendiente y densidad de drenaje sean los indicados en la prospección de acuíferos de zonas secas. Sobre el análisis espacial, que permita la identificación de los diferentes grados de potencial hidrogeológico para la zona de estudio.

El IDEAM (2010) señala la necesidad de realizar estos estudios pero no indica cómo se pueden hacer. Esta metodología está dirigida a las autoridades ambientales regionales, que son los encargados por ley a planificar los recursos hídricos subterráneos a escalas locales.

Aplicando esta propuesta pueden generar mapas de aptitud que brinden

orientación al momento de planificar los pozos de agua.

CAPÍTULO 2. REVISIÓN DE LITERATURA 2.1 MARCO HISTÓRICO 2.1.1 CARACTERIZACIÓN HIDROGEOLÓGICA NACIONAL El ENA realizó una cuantificación y caracterización de la oferta y la demanda de los recursos hídricos subterráneos, para poder calcular las reservas de aguas subterráneas. Utilizó la información hidrogeológica disponible, en especial, el Modelo Geológico Básico Nacional elaborado por el IDEAM en el 2010, que divide al país en provincias hidrogeológicas. Estas provincias tienen en común el tipo de roca, la estructura del suelo, la geomorfología y tienen límites definidos por fracturamiento y barreras impermeables. A su vez estas provincias se subdividen en cuencas y subcuencas (IDEAM, 2014). El ENA destaco a nivel regional los estudios de CORPOCESAR1 (Corporación Autónoma Regional del Cesar) y el IDEAM que definen el “modelo hidrogeológico conceptual del departamento2 del Cesar”. Este estudio se basa en estudios zonales de superficie y subsuelo, resultados de estudios de prospección geoeléctrica e inventarios de puntos de agua como pozos, aljibes y manantiales (IDEAM, 2014). Resultado de este modelo, CORPOCESAR y el IDEAM establecieron a nivel departamental las subprovincias que agrupan los sistemas acuíferos en clases hidrogeológicas. Estos sistemas pueden contener a la vez uno o varios acuíferos, los cuales dependiendo de sus características varían la potencialidad de almacenamiento de alta a baja importancia (CORPOCESAR-IDEAM, 2006).

En el Mapa 1 se muestran las seis subprovincias hidrogeológicas en las que se divide el departamento del Cesar y las cuales se relacionan a continuación:

En Colombia la administración de los recursos naturales es a nivel departamental. Es llevada a cabo por las Corporaciones Autónomas Regionales. 2 Colombia se divide en 32 departamentos y Bogotá, los departamentos a su vez se dividen en municipios y estos en veredas.

1. Planicie del Cesar

4. Serranía del Perijá

2. Sierra Nevada de Santa Marta

5. Valle Inferior del Magdalena

3. Macizo Santander-Floresta

6. Valle Medio del Magdalena

Destaca la subprovincia Planicie del Cesar que contiene el sistema acuífero de la Llanura Aluvial (Qlla) y está clasificada como de alta importancia hidrogeológica (CORPOCESARIDEAM, 2006). 2.1.2 EVALUACION DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS LOCALES Cuando se va a realizar uso del agua subterránea, la autoridad pide información de su disponibilidad y cantidad. En Colombia esta evaluación se hace a partir de la información existente, el inventario de pozos cercanos, la geología de la superficie, la perforación de pozos de observación y los estudios geoeléctricos (IDEAM, 2014; SENA, 1999).

El Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA, 1999) indica que el pozo de observación y el de bombeo deben ser de características similares en cuanto a profundidad y diseño, además, se deben ubican cerca el uno del otro. El pozo de observación se usa para medir los niveles del agua y si son insuficientes, no se instala el pozo de bombeo. Si esto ocurre, la pérdida en dinero por la construcción del pozo de observación puede afectar el presupuesto del montaje del acueducto. Sobre todo en acueductos veredales donde la disponibilidad presupuestal es muy ajustada. Para disminuir este riesgo, el SENA (1999) recomienda usar los estudios de geoeléctrica complementados con un buen conocimiento de la geología de la zona.

El IDEAM (2014) como parte de su actualización invita a las autoridades locales, a considerar en el estudio geológico los métodos indirectos a partir de satélite, radar, etc. Pero se restringen al factor litológico y a la determinación de las reservas. Por ello la propuesta se enfoca en incluir otros factores que también determinan la infiltración y el almacenamiento de agua.

Mapa 1 Provincias hidrogeolรณgicas del Cesar Fuente: Adaptado de CORPOCESAR-IDEAM, 2006

2.1.3 SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA 2.1.3.1 APLICACIÓN A NIVEL NACIONAL

Colombia cuenta con una guía para la formulación de Planes de Manejo Ambiental de Acuíferos (PMAA). Esta forma parte de las estrategias de la Política Nacional para la Gestión Integral del Recurso Hídrico (PNGIRH) ejecutada por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT). Esta política es un esfuerzo del gobierno para subsanar el escaso conocimiento y preparación tanto técnica como profesional para la administración del recurso hídrico subterráneo del país (MAVDT, 2010).

Este desconocimiento del recurso y de su manejo es preocupante porque la memoria técnica del Mapa Geológico Nacional señala que un 75% del territorio tiene condiciones favorables para el almacenamiento de agua subterránea. Además, de acuerdo a un documento del Ministerio de Vivienda, aproximadamente 106 municipios3 dependen parcial o exclusivamente de este recurso para su abastecimiento (MAVDT, 2014; SGC,2015).

El PNGIRH señala que toda la información cartográfica usada y generada en las diferentes fases del PMAA, debe ser almacenada en un SIG, ya que la mayoría de las autoridades ambientales cuentan con uno en operación.

El SIG facilita el manejo, análisis y

estructuración de información alfa-numérica y espacial, así como la modelación de las variables físico-bióticas y socioeconómicas de sus áreas asignadas (IDEAM, 2014). 2.1.3.2 APLICACIÓN A NIVEL INTERNACIONAL Hernández (2010) señala que la delimitación de zonas que tienen alta probabilidad de contar con reservas de agua subterránea se basa en el rol combinado de varios factores. Es recomendado usar un SIG, porque permite la sobreposición y manipulación de estos factores con operadores lógicos y algebraicos, que facilitan la generación de mapas que combinan varios de estos temas.

Colombia cuenta con 1.096 municipios (IGAC, 2015)

Esteller et al. (2002) señalan que muchos de los parámetros usados son valores puntuales, precisándose el uso de métodos de interpolación y un SIG dispone de varios de ellos. Así se evitan los problemas de importación y exportación entre diferentes software para su eventual transformación.

Hernández (2010) también señala que los métodos convencionales de exploración (estudios geoeléctricos) no siempre toman en cuenta los diversos factores que contralan la ocurrencia de agua subterránea. Mallikarjuna, Prasad, Bhaskar y Sailakshmi (2012) indican que la teledetección integrada con el SIG, se ha utilizado de manera eficiente en la generación de parámetros de entrada de los modelos hidrológicos. Son factores esenciales la pendiente, el tipo de suelo, el uso de la tierra, vegetación y capacidad de flujo del canal. También destacan las variables de predicción de la escorrentía, el área de drenaje y la duración de los drenajes principales y secundarios (Mallikarjuna et al., 2012)

Martín-Loeches, Alaminos y Reyes (2015) señalan la utilidad de la cartografía hidrogeológica, realizada a partir de la interpretación directa de fotografías aéreas o de imágenes de satélite.

Estas técnicas permiten identificar elementos geológicos y

geomorfológicos indicativos de la existencia de un acuífero. De esta forma no se necesita el uso de técnicas geoeléctricas y se puede dar viabilidad al montaje de la infraestructura necesaria para la extracción del agua.

De estos elementos, los anteriores autores

destacan el fallamiento y la pendiente para realizar una prospección de aguas subterráneas y se enfocan en la descripción geomorfológica para determinar un mayor o menor potencial de volumen en el eventual acuífero. A continuación, se muestra un ejemplo de lo anterior (Martín-Loeches et al, 2015): -

Las áreas con pendientes suaves y ondulaciones de máximo de 20-30 metros tienen altas perspectivas para el agua subterránea.

Laderas con pendientes algo más pronunciadas que en la unidad anterior tienen mayores perspectivas hidrogeológicas en las partes medias y bajas de su superficie.

Valles fluviales. Se presentan allí donde existen corrientes de agua de cierta importancia. Son zonas muy planas, generalmente constituidas de rellenos aluviales de diferente grosor. El potencial hidrogeológico en estas zonas es muy alto.

Las superficies escarpadas o zonas de erosión, con pendientes superiores a los 20° y afloramientos rocosos tienen muy bajo potencial hidrogeológico.

Las superficies sin alteración pero con fracturas importantes, desde el punto de vista del agua subterránea son importantes si no existe otra posibilidad.

Yeh, Lee, Hsu y Chang (2009) usaron SIG para evaluar el potencial de recursos de aguas subterráneas, a partir de la litología, la cobertura y el uso del suelo, el fallamiento, el drenaje y la pendiente. Simões (2013) señala que la integración de SIG y los modelos hidrológicos presenta un gran reto porque es difícil de combinar en el mismo entorno un modelo hidrológico no SIG que se acople a los datos de entrada o salida tipo SIG. En este caso, dos enfoques de integración son posibles:

1. Un modelo integrado en el SIG, que incluya la creación de entradas del modelo, la edición de los datos, la ejecución del modelo y la visualización de resultados de salida, o 2. la integración entre el Modelo y los módulos SIG se desarrollan desde un modelo de computadora (Simões, 2013).

2.2 MARCO TEÓRICO 2.2.1 AGUA SUBTERRÁNEA El agua subterránea es agua sub-superficial que ocupa vacíos presentes en formaciones geológicas. La cantidad de agua subterránea almacenada en las formaciones geológicas y la facilidad con la cual puede extraerse depende de dos factores físicos: la porosidad y la permeabilidad (Vélez y Vásquez, 2007). El potencial de aguas subterráneas en una cuenca se puede establecer a través de la investigación de la lluvia y la escorrentía, y de los factores hidrológicos que controlan su ocurrencia (Elewa y Qaddah, 2011).

2.2.2 RECARGA DE AGUAS SUBTERRÁNEAS La recarga de aguas subterráneas se refiere a la entrada de agua de la zona no saturada a la zona saturada por debajo del nivel freático de la superficie. También considera el flujo asociado del nivel freático de la zona saturada (Freeze y Cherry, 1979; citado en Yeh et al., 2009).

En la Figura 1 se muestra el sistema de recarga de un acuífero.

discriminan los flujos subterráneos y las áreas de recarga y descarga de agua.

También

permite

identificar

los

sistemas de flujo y las zonas de infiltración,

función

ubicación de las corrientes. Figura 1 Sistemas de flujo y zonas de recarga y descarga Fuente: Tomada de Knutsson (1988) y propuesta inicialmente por Tóth (1962) y Gustafsson (1968) citado en Vélez y Vásquez (2007).

En la Figura 2 se muestra un diagrama de flujo elaborado por De Vries y Simmers (2002) que resalta los mecanismos de recarga de los acuíferos subterráneos en las zonas semiáridas. Esta condición climática predomina en la zona de estudio del presente trabajo.

Figura 2 Los mecanismos de recarga en un área semi-árida Fuente: Lerner (1997) citado en De Vries y Simmers (2002)

Este diagrama destaca a la precipitación como el principal ingreso de agua al acuífero y muestra que en todas las etapas se tienen perdidas por evapotranspiración. El agua puede infiltrarse directamente o convertirse en escorrentía que ingresa al acuífero al percolarse por las juntas, depresiones o canales (drenajes secundarios) o los ríos (drenajes primarios). 2.2.3 LA RECARGA: ESTIMACIÓN Y DIFERENCIACIÓN En la mayor parte de las investigaciones hidrogeológicas suele ser necesario estimar la recarga, es decir la cantidad de agua (generalmente de lluvia) que entra en un acuífero. Este es un paso previo al establecimiento del balance hidrológico (entradas y salidas) del mismo (He, Takase y Wang, 2008). La recarga de un acuífero se suele expresar como el volumen medio anual de agua que entra en el acuífero o bien en forma de porcentaje respecto a la precipitación, también llamada tasa de recarga o infiltración eficaz (Andreo et al. 2004).

Según De Vries y Simmers (2002) la interacción del clima, la geomorfología, el suelo y la vegetación condiciona la recarga. En las zonas semi-áridas o secas la recarga depende más de las condiciones cercanas a la superficie que en las regiones más húmedas. La

percolación en áreas húmedas es controlada principalmente por el exceso de precipitación (precipitaciones menos la evapotranspiración potencial), la capacidad de infiltración del suelo, el almacenamiento y la capacidad de transporte en el nivel freático (De Vries y Simmers, 2002).

En las zonas semi-áridas, sin embargo, la evapotranspiración potencial en promedio supera las precipitaciones. La recarga de acuíferos depende de eventos de lluvia de alta concentración, acumulación del agua en los drenajes superficiales y la capacidad de percolarse rápido para escapar de la evapotranspiración (De Vries y Simmers, 2002).

La recarga normalmente se ve obstaculizada por suelos aluviales gruesos, que realizan un almacenamiento de alta retención durante la temporada de lluvias.

La vegetación

también afecta la recarga, porque extrae del suelo el agua en la próxima estación seca (De Vries y Simmers, 2002). En contraste, una vegetación pobre, un suelo permeable o un lecho de roca porosa fracturada cerca de la superficie, junto con la precipitación de alta intensidad, crea condiciones favorables para la recarga (De Vries y Simmers, 2002). 2.2.4 FACTORES

QUE

CONTROLAN

ALMACENAMIENTO

AGUA

SUBTERRÁNEA Al Saud (2010) y Elewa y Qaddah (2011) resaltan los factores que controlan el almacenamiento de agua subterránea (ver Figura 3), y resaltan que varían según el espacio y el tiempo. Esta variación se describe a continuación:

a) La disponibilidad de precipitaciones como fuente de agua b) El tipo de roca porque la litología determina la capacidad de infiltración y el régimen de almacenamiento c) El sistema de fallas estructurales porque mejoran la permeabilidad d) La pendiente que controla la energía del flujo de agua e) Las características del drenaje porque indica el esquema de infiltración f) La cobertura y el uso del suelo que determinan el comportamiento del flujo vertical y horizontal de agua en la superficie del terreno.

Precitación

Pendiente

Litología

Fallas

Cobertura

Drenajes

suelo

Figura 3 factores que controlan el almacenamiento de agua Fuente: Al Saud (2010); Elewa y Qaddah (2011)

Al Saud (2010) asigna la importancia a cada uno de los factores en función de la influencia en el almacenamiento de agua subterránea. Para determinar esta influencia Al Saud realizó una revisión cronológica de diferentes estudios cuyo objetivo era la determinación de sitios potenciales para hallar aguas subterráneas. En base a la efectividad de los resultados la tabla 1 resume los factores que controlan el almacenamiento de aguas subterráneas y su función.

Tabla 1 Principales factores que influyen en el almacenamiento de agua subterránea

FACTOR DE INFLUENCIA

ELEMENTO DE INFLUENCIA

IMPORTANCIA

Precipitación

Tasa de precipitación

Agua como fuente, recarga directa

Litología

Tipo de roca

Permeabilidad, almacenamiento

Fracturas en las rocas

Sistema de fallamiento

Aumento de permeabilidad

Pendiente

Energía del flujo de agua

Afectación flujo de acumulación

Drenaje

Densidad

Permeabilidad y flujo de acumulación

Cobertura y uso del suelo

Impermeabilidad

Interferencia en la recarga

Fuente: Al Saud, 2010.

2.2.5 MODELACIÓN DE LOS PROCESOS DE RECARGA Según Avinash, Deepika, y Jayappa (2013) en primera instancia se identifican los sectores con potencial para almacenar agua subterránea a partir de la identificación, análisis y asignación de pesos de los factores que favorecen la percolación del agua. Posteriormente se determina la recarga que entra en el acuífero, por último se realiza la determinación cuantitativa de las entradas y salidas del sistema acuífero (Avinash et al., 2013). Para contabilizar estas entradas y salidas es preciso el modelamiento de los mecanismos y procesos de ingreso y pérdida del agua desde la superficie hasta el subsuelo o recarga. Destacan los métodos del Balance Hídrico, el DRASTIC y el APLIS, los cuales se describen a continuación.

2.2.6.1 Balance Hídrico El balance hídrico calcula el equilibrio de los recursos hídricos a partir de la estimación de las cantidades que ingresan y salen del sistema por lo que puede ser positivo o negativo (IDEAM, 2014). He et al. (2008) definen a partir del concepto de balance hídrico un modelo de recarga que se puede ver en la Figura 4.

Figura 4 Modelo de recarga de agua subterránea basado en el concepto de balance hídrico Fuente: Raneesh y Thampi, 2013

En este modelo se realiza el acople de los parámetros atmosféricos e hidrogeológicos a los diferentes usos del agua (uso agropecuario, forestal y urbano) y consiste en tres capas: una superficial (uso del suelo), otra subsuperficial (nivel freático) y la última es la capa en donde circula el agua subterránea.

2.2.6.2 DRASTIC Otro método es el DRASTIC4, implementado por Esteller et al. (2002) y Sanz (2014) que considera los parámetros de profundidad del acuífero, recarga neta, cobertura del suelo, 4

El DRASTIC es un modelo empírico para determinar la vulnerabilidad de acuíferos, desarrollado por Aller, Bennett, Lehr, & Petty en 1987, para la Environmental Protection Agency, EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos). Es un método que se basa en la asignación de índices que van de 1 (mínima vulnerabilidad) a 10 (máxima vulnerabilidad), de acuerdo a las características y el comportamiento de las variables consideradas en el acrónimo DRASTIC: D: depth. Profundidad del agua subterránea; R:

pendiente, litología de la zona no saturada y conductividad eléctrica. En este método se obtienen solo valores puntuales; por ende, es necesario el uso de métodos de interpolación, por lo que usan SIG (Sanz, 2014).

2.2.6.2 APLIS Chowdhury et al. (2010) proponen una metodología para delinear zonas de recarga, utilizando teledetección, un sistema de información geográfica (SIG) y la toma de decisiones multicriterio (MCDM).

Las capas temáticas usadas por estos autores fueron:

geomorfología, geología, densidad de drenaje, la pendiente y la transmisividad del acuífero. A cada capa les asignaron los pesos adecuados en función de su contribución relativa en la zona a la recarga a las aguas subterráneas. La normalización de los pesos se calculó usando el Proceso Analítico Jerárquico de Thomas L. Saaty (Saaty’s analytic hierarchy process -AHP).

Este mismo método fue usado por Ribeiro et al. (2011) quienes plantearon que el AHP, corresponde a un método flexible y eficiente de toma de decisiones. El AHP ayuda al establecimiento de las preferencias y a su elección cuando los aspectos cuantitativos y cualitativos deben pesarse. Andreo et al. (2004) usaron el método APLIS mediante la expresión: R = (A + P + 3·L + 2·I + S) / 0’9 Esta ecuación la implementan para determinar la tasa media de recarga anual en acuíferos (R). R esta se expresa como porcentaje de la precipitación, a partir de la altitud (A), pendiente (P), litología (L), áreas de absorción-infiltración preferencial (I) y tipo de suelo 5(S). De cada variable, Andreo et al. (2004) establecieron categorías o intervalos, a cada uno de los cuales se le asignó un valor entre 1 (mínima influencia en la recarga) y 10 (máxima influencia) y se almacenaron en un Sistema de Información Geográfica (SIG). Para estimar la tasa de recarga usaron el método APLIS.

recharge. Recarga neta; A: aquifer. Litología del acuífero.; S: soil. Tipo de suelo.; T: topography. Topografía; I: impact. Naturaleza de la zona no saturada; C: hydraulic conductivity. Conductividad hidráulica del acuífero (Raneesh y Thampi, 2013). 5 Este tipo es en función de la textura (arenosa, limosa, arcillosa).

Los métodos de Balance hídrico, DRASTIC y APLIS refinan la obtención del resultado llegando a calcular un valor para la recarga, es decir, buscan predecir la cantidad de agua que entra al complejo subterráneo. La aplicación de uno de estos modelos se considera un paso subsecuente a los objetivos de esta tesis que es la determinación de áreas a partir de factores idóneos que favorezcan la recarga y el almacenamiento de aguas subterráneas. 2.2.6 ANÁLISIS DE LA IDONEIDAD: LA SELECCIÓN DE SITIO ESRI (2014) indica la selección del sitio, como un análisis de la idoneidad. Es una forma de análisis SIG usada para determinar el mejor lugar. Se utiliza un software de SIG con el fin de encontrar las ubicaciones o celdas que cumplen unos criterios determinados. Esta técnica de análisis se basa en una operación de superposición, que combina los valores de capas múltiples en una nueva capa. La posición en el espacio funciona como llave. Para esta propuesta su usará la superposición ponderada, porque los factores elegidos varían en importancia en función de la identificación de acuíferos (Strobl, Resl, Atzmanstorfer y Zurita, 2014).

Para facilitar el manejo de la información, antes de la superposición, se deben reclasificar todos los rásteres en la misma escala para poderlos comparar y clasificar las celdas como adecuadas o no. Se debe determinar qué valores de celda reciben los nuevos valores de escala en función de los criterios para su análisis (ESRI, 2014). Una vez con la información reclasificada, se puede usar la idoneidad ponderada (weighted suitability). Este tipo de análisis, permite seleccionar sitios al clasificar las celdas raster en una escala común, por ejemplo de 1 a 3; 1 a 5 ; 1 a 9, etc, siendo 1 el menos adecuado y el más alto el más adecuado. Asi se obtiene el sitio más apropiado, el menos y demás opciones de sitios (ESRI, 2014).

2.3 MARCO METODOLÓGICO Hernández (2010) delineó una metodología que combinaba distintos mapas temáticos: forma de la tierra, elevación y cotas, uso de la tierra y cuerpos de agua superficial. Estos

mapas fueron obtenidos a partir de imágenes satelitales, para delinear zonas con potencial para contener agua subterránea.

Yeh et al. (2009) plantearon una metodología (ver diagrama de flujo de la Figura 5) para determinar las zonas potenciales con aguas subterráneas. Los factores fueron: litología, uso del suelo, fallamiento, drenaje y pendiente. Realizaron fotointerpretación de la geología, el fallamiento y el uso del suelo y posteriormente con SIG obtuvieron los mapas de uso del suelo, pendiente, densidad de drenaje, litología y densidad de fallas estructurales. Los mapas obtenidos fueron procesados de forma conjunta en SIG por medio de las herramientas de Análisis Espacial. El resultado fue el mapa de zonas potenciales de hallar aguas subterráneas (Yeh et al., 2009).

Figura 5 Diagrama de flujo de la metodología para la determinación de zonas potenciales para hallar agua subterránea Fuente: Yeh et al., 2009.

Mahmoud, Alazba y Amin (2014) identificaron áreas adecuadas para la recarga de aguas subterráneas mediante un SIG basado en un Sistema de Soporte de Decisiones (SSD) 6. Se obtuvieron mapas de aptitud a partir de datos de precipitación, pendiente, coeficiente potencial de escorrentía, uso actual y textura del suelo. Los anteriores autores citan a Sargaonkar et al. (2011) quienes identificaron sitios potenciales para la recarga de aguas subterráneas a partir del uso del suelo, la litología, la topografía y un modelo de la escorrentía de lluvia.

Soares et al. (2012) presentaron una propuesta metodológica para el mapeo de áreas potenciales de infiltración, teniendo en cuenta mapas temáticos (geología, pedología, geomorfología y uso de la tierra) y la distribución espacial de la precipitación. Mahmoud et al. (2014) presentaron una serie de pasos para la identificación de áreas adecuadas de recarga de aguas subterráneas: -

Selección de criterios

Evaluación de los niveles de idoneidad de criterios para recarga de aguas subterráneas.

Asignación de pesos a estos criterios.

Recolección de datos espaciales de los criterios de diversas fuentes, incluyendo levantamiento GPS y generando mapas usando herramientas SIG.

Desarrollo de un modelo de aptitud basado en SIG, que genere mapas a través de un proceso de evaluación espacial multi-criterio.

Generación de mapas de aptitud.

Los factores de estudio propuestos en esta tesis, se fundamentan en la revisión de las propuestas de Yeh et al. (2009), Soares et al. (2012) y Mahmoud et al. (2014) porque usan factores identificados de forma indirecta. Estos autores muestran una secuencia lógica y

“Un sistema de soporte de decisiones (SSD) es un sistema basado en computadores y orientado a ayudar a los que toman decisiones. Usa los datos y los modelos para identificar, resolver problemas y tomar decisiones. Ayuda a obtener información, resumir y analizar datos relevantes en la decisión" (Power, 1997 citado en Toro, 2004)

ordenada de pasos para el análisis de los mencionados factores. El resultado de los estudios es la identificación de las áreas potenciales de infiltración.

En lo referente a la integración de la información usando SIG se partió de la metodología propuesta por Avinash et al. (2013) para identificar los procesos hidrológicos y demarcar las zonas potenciales de agua subterránea. Además para esta metodología los autores tienen en cuenta un aspecto poco considerado: la delimitación del territorio a partir de las subcuencas, porque en otros estudios han llegado solo hasta la cuenca. En la Figura 6 se muestra el diagrama de flujo de esta metodología.

Figura 6 Diagrama de flujo que muestra la metodología adoptada para la evaluación del mapa de la zona potencial de aguas subterráneas de la cuenca de Gangolli Fuente: Avinash et al., 2013.

Por último para la integración de los factores se tuvo como precedente la asignación de pesos ponderados planteada por Al Saud (2010). Este autor toma en cuenta la efectividad del factor en lo relacionado al almacenamiento de aguas subterráneas. Por ejemplo, el fracturamiento de las rocas es mucho más determinante que la densidad de drenaje, mientras que la precipitación es más influyente que todos los demás factores. La Figura 7 muestra un modelo de diagrama que representa la integración de los factores potenciales en determinar el almacenamiento de agua subterránea. La figura refleja las capas superpuestas y su peso de influencia (Al Saud, 2010).

Figura 7 Representación esquemática de los factores manipulados en el sistema SIG Fuente: Al Saud, 2010.

Con estas consideraciones, Al Saud (2010), a cada factor, le dio un peso del efecto en el almacenamiento de aguas subterráneas, de acuerdo a: -

El juicio experimentado de otros autores que se basaron en el análisis de las características del terreno y las investigaciones in situ.

La determinación de factores influyentes en el almacenamiento de aguas subterráneas obtenidas por otros estudios a partir de la teledetección y la aplicación de SIG (Edet, Okereke, Teme, y Esu, 1998; Robinson, El-Baz, y Singhory, 1999; Das, 2000; Shaban, Mohamad, y Abdallah, 2006).

Sobre la base de lo anterior se dieron puntuaciones altas a los factores con mayor influencia en el almacenamiento y valoración baja a los de menor influencia. También asignó clases para cada factor, que se establecieron en función de la influencia en el almacenamiento de agua. Clase uno (I), para un potencial muy alto de favorecer el almacenamiento de agua subterránea y equivalente al rango de entre 80 a 100% de ocurrencia. La clase cinco (V), para un potencial muy bajo (intervalo de 0 a 20%). Se explica mejor en el cuadro 2.

Tabla 2 Clases de los factores en función del potencial de almacenamiento

Clases

Potencial de almacenamiento

Intervalo de la clase

Calificación promedio

I II III IV V

Muy alto Alto Medio Bajo Muy bajo

100%-80% 80%-60% 60%-40% 40%-20% 20%-0%

90% 70% 50% 30% 10%

Fuente: Al Saud, 2010

Para entender la tabla anterior, se puede usar un factor para explicarlo. La pendiente suave está en la clase I del potencial de almacenamiento (80 a 100%) porque favorece la recarga de los acuíferos, al darle tiempo al agua para que se profundice.

En las

pendientes altas el agua se resbala y no tiene tiempo de profundizar, por ende en esos sitios la probabilidad de encontrar aguas subterráneas es muy bajo (clase V).

CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA Para la identificación de áreas con potencialidad hidrogeológica se realizó una evaluación multicriterio, esta técnica permitió integrar diferentes elementos del entorno para entender un fenómeno natural y se basó en la gestión de información geográfica con los siguientes pasos:

Revisión de información existente sobre la prospección de aguas subterráneas a nivel internacional y nacional para identificar metodologías y factores determinantes.

Selección del sitio a partir de la demanda de agua subterránea para abastecimiento de acueductos.

Colección de datos espaciales de los diferentes portales de carácter institucional y elaboración de mapas de los criterios seleccionados: litología, cobertura, precipitaciones, pendientes y drenajes (a nivel de subcuenca).

Evaluación de los niveles de idoneidad de los criterios y asignación de pesos a estos criterios para lo cual se usaron las herramientas de análisis espacial de ArcGIS.

Generación de un mapa final de potencial hidrogeológico a partir del desarrollo de un modelo de aptitud basado en SIG, que combino los factores elegidos a través de un proceso de evaluación espacial.

En la Figura 8 se muestra el flujo metodológico de esta tesis.

Figura 8 Flujo metodolรณgico

3.1 DELIMITACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO Para la delimitación del área de estudio se hizo una revisión de la información de las entidades de carácter gubernamental. Se seleccionó según la importancia que le daban los gobiernos a las aguas subterráneas desde el nivel nacional hasta el regional. Se halló que la región con mayor demanda de agua subterránea es también la que presenta mayor escasez de precipitaciones, que para el caso de Colombia es la Región Norte.

En esta región se escogió el departamento del Cesar por contar con estudios puntuales sobre aguas subterráneas (CORPOCESAR-IDEAM, 2006, 2007 y 2009). Esto permitió contrastar los resultados obtenidos con información existente del área. En el Mapa 2 se muestra un mapa de Colombia, con la región de interés y el departamento del Cesar.

El departamento del Cesar se encuentra localizado en la zona noreste del país. Limita al norte con los departamentos de La Guajira y del Magdalena; al sur con los departamentos de Bolívar y Norte de Santander y al oriente con Norte de Santander y Venezuela. En sus extremos se encuentran los sistemas montañosos de la Serranía del Perijá (frontera natural con Venezuela) y la Sierra Nevada de Santa Marta (CORPOCESAR, 2017).

Mapa 2 Mapa de ubicaciรณn del รกrea de estudio

El Cesar tiene una extensión de 22.527 Km2 y presenta una topografía de planicies en el 57% y montañosa en un 43%. Predomina el clima cálido en la zona plana y le sigue el clima templado en la parte montañosa. La humedad relativa es de 75% en el área montañosa y de un 60% en promedio en el área plana. La precipitación es del orden de 1500 mm anuales en la parte alta de las montañas y de 1000 mm en las planas. (CORPOCESAR, 2017).

En el Mapa 3 se muestra el índice de aridez para el departamento del Cesar. La mayoría del área de estudio (59%) es de carácter seco, con sectores áridos (18%), zonas moderadas o adecuadas (no presentan excesos ni déficit de humedad) en un 22% del área y por ultimo un 1% de la zona de interés es ligeramente húmeda. Este índice justifica los altos requerimientos de explotación de las aguas subterráneas del departamento.

| Mapa 3 Mapa de Ăndice de aridez Fuente: IDEAM, 2011

3.2 SELECCIÓN DE FACTORES DE ESTUDIO Para la selección de los criterios de estimación de las aguas subterráneas se tuvo en cuenta los más usados en las diferentes metodologías de la bibliografía revisada y que tuvieron resultados favorables. Todos los criterios fueron fáciles de conseguir en los servicios geográficos estatales.

Los factores seleccionados para determinar sitios potenciales de aguas subterráneas fueron el tipo de roca, la precipitación y la cobertura del suelo, y aunado, la pendiente y la densidad de drenaje por influir directamente en los anteriores factores (Al Saud, 2010; Elewa y Qaddah, 2011; Solaimani y Sadeghi, 2009).

De Vries y Simmers (2002) y Hernández (2010) documentan que los procesos de recarga de acuíferos son diferentes entre zonas húmedas y semi-áridas, por ello se omitió el fallamiento o lineamientos, por ser más determinantes en los estudios de zonas húmedas.

3.3 OBTENCIÓN DE INFORMACIÓN DE BASE Para elaborar cartografía temática de los criterios elegidos, se usaron mapas base del área delimitada. En la Tabla 3 se relacionan los datos y las fuentes usadas en este estudio.

Tabla 3 Fuentes de los datos espaciales

DESCARGA

FUENTE

Mapa Geológico Colombiano. Esc 1:100.000

Servicio Geológico Colombiano, 2015, en servicios de descarga de información espacial del ICDE.

Mapa de coberturas de la tierra por metodología Corine Land Cover 2005-2009. Esc 1:100.000 Mapa de precipitación anual promedio para Colombia (mm) 1976-2005

IDEAM, 2012, en catálogo de mapas del SIAC.

Mapa de cartografía básica -drenajes y límites departamentales-. Esc 1:100.000

IGAC, 2012 en SIG-OT.

División de microcuencas. Esc 1:25.000

SIG-Corpocesar, 2012.

Modelo digital global de elevación , resolución 30x30

NASA, 2011

IDEAM, 2015, en catálogo de mapas del SIAC.

Una vez se contó con los resultados de la revisión de las diferentes fuentes y se tuvo claridad en cuanto a la información que debía ser generada, se delimitó la zona puntual de estudio usando herramientas de selección a partir de los atributos.

3.4 VALORACIÓN DE LOS FACTORES QUE CONDICIONAN LA RECARGA Y EL ALMACENAMIENTO DE AGUA SUBTERRÁNEA Para valorar los factores se tuvo en cuenta que una vegetación pobre, un suelo permeable, junto con la precipitación de alta intensidad, crean condiciones favorables para la recarga (De Vries y Simmers, 2002).

Para facilitar el análisis de los factores, cada uno se distribuyó en tres intervalos de clases7: alto, medio y bajo. Esta clasificación se da en función de que facilitan o inhiben la recarga y el almacenamiento de aguas subterráneas. En la Tabla 4 se relacionan los intervalos de clase, los valores asignados y la justificación a la valoración.

Tabla 4 Asignación de valores a los factores que condicionan la recarga y el almacenamiento

Intervalo de clase

Valor asignado

Justificación

Alto

Condición del factor que favorece totalmente la recarga y el almacenamiento

Medio

Condición del factor que favorece parcialmente la recarga y el almacenamiento

Bajo

Condición del factor que inhibe la recarga y el almacenamiento

Una vez asignadas las clases se le dio un valor a cada una de estas para posteriormente usar la herramienta de “análisis espacial” de ArcGIS. En la Figura 9 se muestra la asignación de valores. El valor más alto (3) se asignó para aquellos rangos que más favorecen la recarga de los acuíferos subterráneos, el valor de dos (2) se asignó a las clases medias, y el valor de uno (1) para las clases que inhiben la recarga.

Los intervalos de clase son datos agrupados que comparten características comunes.

Valor de 1: inhibe la recarga Valor de 2: valor medio Valor de 3: favorece la recarga

Figura 9 Valores asignados a los intervalos de clase

A continuación se relacionan los factores clasificados por clases. El intervalo fue asignado en función de si facilitan o inhiben la recarga y el almacenamiento de aguas subterráneas. 3.4.1 LITOLOGÍA (TIPO DE ROCA) La litología es la base de los estudios hidrogeológicos porque el tipo de roca controla la circulación y el almacenamiento de las aguas subterráneas. La valoración de alto, mediano y bajo potencial se da en función de su capacidad de infiltración y almacenamiento. En la figura a continuación se muestra la confluencia de estos factores para determinar el potencial hidrogeológico (MAVDT, 2014; SGC, 2015).

Capacidad de infiltración

Capacidad de almacenamiento

Potencial Hidrogeológico

Figura 10 Potencial de la litología

Los depósitos no consolidados de gravas y arenas, los depósitos de vertientes y procesos aluviales y las rocas sedimentarias consolidadas y semi-consolidadas de conglomerados y arenisca tienen el mayor potencial de infiltración. Los tipos de roca de origen volcánico y metamórfico como basaltos, granodioritas, esquistos y otros, poseen el menor potencial de infiltración (MAVDT, 2014; SGC, 2015). Esta gradación en función de la porosidad se entiende mejor en la Figura 11 Aumento de la porosidad Rocas sedimentarias Rocas variadas fracturadas

Rocas volcánicas

Figura 11 Incremento del potencial hidrogeológico en función de la porosidad

En la Tabla 5 se muestran los valores de reclasificación asignados al factor de litología de área de estudio. La asignación se dio en función de la porosidad, característica que determina el potencial hidrogeológico (INGEOMINAS, 2015; MAVDT, 2014). En el Anexo 1 se relaciona la lista detallada de los tipos de roca del departamento del Cesar.

Tabla 5 Valores de reclasificación para litología

Litología

Probabilidad de encontrar agua subterránea

Los depósitos no consolidados de gravas y arenas, los depósitos de vertientes y procesos aluviales y las rocas sedimentarias consolidadas y semi-consolidadas de conglomerados y arenisca Depósitos e intercalaciones conglomerados de gravas y arenas, suelos metamórficos no consolidados y altamente fallados. Roca de origen volcánico y metamórfico como granitos, basaltos, granodioritas, cuarzoarenitas, esquistos, depósitos glaciares y otros

Valor de reclasific ación

Caracterización

Alto

Zonas con alta infiltración, el agua no discurre por la superficie

Medio

Zonas media

Bajo

infiltración

Baja infiltración, áreas impermeables, poca probabilidad de poseer zonas de captación de aguas subterráneas.

Fuente: modificado de SGC, 2015

3.4.2 COBERTURA DEL SUELO (VEGETACIÓN) La cobertura se eligió como factor porque el follaje disminuye la entrada de agua al sistema al interceptar la precipitación y favorecer la evaporación al retener agua en las hojas (Rutter et al. 1971; Rutter et al. 1975; Xiao et al. 2000 citados en Mendéz Monroy, 2013). En la Figura 12 se muestra como es el proceso.

Figura 12 La interceptación de la vegetación en la recarga de acuíferos Fuente: Guzmán, 2017

La cantidad de agua interceptada varía según las características dasométricas8 de la vegetación. Las hojas pueden retener del 10 al 50% de la precipitación total (Gerrits, 2010 citado por Mendéz Monroy, 2013).

En la Tabla 6 se muestran los valores de

reclasificación para el factor de cobertura de suelo (vegetación). Este valor fue asignado según la estructura tanto dasométrica (hierba, arbusto, árbol) como de distribución en el espacio (disperso, gregario), que condiciona la capacidad de interceptación de la precipitación.

Tabla 6 Valores de reclasificación para cobertura del suelo (vegetación)

Cobertura del suelo (vegetación) Los cultivos agrícolas de bajo porte (cereales), pastos y herbazales naturales.

Los cultivos perennes (arbustos como café, cacao, oliva, uva, etc.) los arbustales, los pastos arbolados y los bosques muy intervenidos y fragmentados. El grupo de vegetación que realiza la máxima intercepción de la precipitación incluye bosques densos, bosques de galería y plantaciones forestales.

Probabilidad de encontrar agua subterránea

Alto

Valor asignado en la reclasificación

Caracterización

Interceptación baja. Ocupan un solo estrato en el componente vertical, no se sobreponen y presentan espaciamiento entre individuos, hojas pequeñas o angostas por lo que no impiden la infiltración, ni facilitan la evaporación al retenerlas en los limbos foliares. Medio 2 Interceptación media. Tienen mayor cantidad de estratos que las coberturas de bajo porte, por lo que el agua que gotea tiene alta probabilidad de ser retenida por la capa inferior, pero hay espaciamiento entre los individuos ya sea pensando en las actividades de cosecha o porque son procesos de regeneración de zonas naturales como pastizales en donde los árboles o arbustos crecen de forma dispersa Bajo 1 Alta interceptación. Los individuos tienen la mayor cantidad de capas en la copa, además, por debajo de los árboles se encuentran arbustos y plantas herbáceas ocupando un mismo espacio porque aprovechan la vertical al competir por la luz. En estos ecosistemas las copas de los árboles se tocan reforzando la interceptación. Fuente: modificado de Lamprecht, 1990; Geilfus, 1994.

3.4.3 PRECIPITACIÓN La importancia de la precipitación al momento de calcular los ingresos radica en que a mayor cantidad de precipitación de un área, mayor es la posibilidad de recarga de las 8

Estas características hacen referencia a los estratos o “capas” de ramas de la copa. A mayor tamaño del individuo, más estratos y mayor cubrimiento en área debido a la amplitud de la copa. La forma de las hojas también interviene, entre más anchas tenderán a acumular más agua que hojas largas y delgadas.

aguas subterráneas.

Una reducción de la recarga por precipitación, por lo general

provoca una directa e inmediata disminución de los niveles de agua subterránea (Elewa y Qaddah, 2011). Andreo et al. (2004) indican que en la mayor parte de investigaciones hidrogeológicas es necesario estimar la recarga por precipitación.

Para Colombia los promedios de precipitación están entre los 500 mm anuales en la Guajira a los 6000 mm en el Chocó. Para la zona de estudio que pertenece a la región Caribe, las precipitaciones se encuentran en su mayoría entre los 1000 mm y los 2500 mm. La región tiene precipitaciones dentro de los 2500 y los 4000 mm año, pero sectorizadas, por lo que se considera una de las zonas más secas del país (IDEAM, 2015). Para el presente estudio, se estimó la cantidad de lluvia, usando los datos de precipitación anual del periodo comprendido entre 1976 y 2005. En la Tabla 7 se muestra la asignación de valores de reclasificación a la precipitación en función al ingreso de agua al sistema (recarga).

Tabla 7 Valores de reclasificación para precipitación

Rangos de precipitación

2501 a 4000 mm/año 1501 y los 2500 mm/año 1000 a 1500 mm/año

Probabilidad de encontrar agua subterránea Alto

Valor asignado en la reclasificación 3

Caracterización

Alto ingreso de agua al sistema

Medio

Ingreso medio de agua al sistema

Bajo

Bajo ingreso de agua al sistema

Fuente: modificado de IDEAM, 2014

3.4.4 PENDIENTE La pendiente es una función inversa de la permeabilidad. Cuando el tipo de roca es menos permeable, menor es la infiltración de la lluvia, que por el contrario tiende a concentrarse en la escorrentía superficial. Este factor funciona como un indicador de la infiltración.

Según Yeh et al., (2009) la inclinación de la pendiente influye directamente en la infiltración de la lluvia. Las pendientes pronunciadas producen una menor recarga,

porque el agua fluye velozmente por la superficie durante los eventos de lluvia y no tiene tiempo de infiltrarse y recargar el acuífero.

Elewa y Qaddah (2011) señalan que entre mayor sea la precipitación de un área, mayor es la posibilidad de recarga de las aguas subterráneas. Pero a pesar de que el área de estudio reciba mucha agua hay que evaluar la pendiente. Está puede conllevar a la escasez de agua al facilitar el escurrimiento de una gran parte de la precipitación hacia los drenajes superficiales.

En la Tabla 8 se encuentran los valores de reclasificación

asignados a los rangos de pendiente en función del ingreso de agua al sistema, en donde, a menor pendiente en un sector se considera con mayor probabilidad de encontrar agua subterránea.

Tabla 8 Valores de reclasificación para pendiente

Pendiente

Probabilidad de encontrar agua subterránea Alto

Valor asignado en la reclasificación

Caracterización

Alto ingreso de agua al sistema

Paisaje ondulado (pendiente entre 21° y 35°)

Medio

Ingreso medio de agua al sistema

Paisaje montañoso (pendiente entre 36° y 90°)

Bajo

Bajo ingreso de agua al sistema

Paisaje plano (pendiente entre 0° y 20°)

Fuente: IDEAM, 2014

3.4.5 DENSIDAD DE DRENAJE De acuerdo con el concepto geomorfológico común, entre más denso es el sistema de drenaje más baja la tasa de recarga. Para conocer la densidad de drenaje implica identificar la longitud de todos los cauces por la unidad de área de interés, el resultado es la densidad de drenaje por área (Edet et al., 1998 y Robinson et al., 1999).

La densidad de drenaje es la longitud total de los cauces de agua por área y se expresa en Km/Km2. Los valores pueden ir desde 0,5 Km/Km2 (cuencas con drenaje pobre) hasta 3,5 Km/Km2 (cuencas excepcionalmente bien drenadas) (Monsalve, 1999).

La densidad de drenaje facilita la identificación de las propiedades litológicas. Una mayor densidad de cuerpos de agua en un área muestra que la roca presente es de baja infiltración por lo que el agua corre superficialmente (Mahmoud et al. 2014). En la Tabla 9 se encuentran los valores de reclasificación asignados a los rangos de densidad de drenaje en función de la infiltración.

Tabla 9 Valores de reclasificación para densidad de drenaje

Densidad de drenaje 0,5 a 1,5 Km/Km2 (cuencas con drenaje pobre) 1,51 a 2,5 Km/Km2 (cuencas con drenaje normal)

Probabilidad de encontrar agua subterránea

Valor asignado en la reclasificación

Caracterización

Alto

Zonas con alta infiltración, el agua no discurre por la superficie

Medio

Zonas de infiltración media

Baja infiltración, áreas impermeables, poca probabilidad de Bajo 1 poseer zonas de captación de aguas subterráneas. Fuente: modificado de Mahmoud et al. 2014; Monsalve, 1999.

2,51 a 3,5 Km/Km2 (cuencas excepcionalmente bien drenadas)

3.5 ASIGNACIÓN DE PESOS A CADA FACTOR PARA RECLASIFICAR Para el desarrollo del modelo de aptitud basado en SIG, se usó la selección de sitio, que permite combinar los criterios a través de un proceso de evaluación espacial. Esto se realizó con las diferentes herramientas de la extensión Spatial Analysis de ArcGIS.

Para esto fue preciso pasar los mapas que se encontraban en formato vector a raster. Con todos los mapas de los factores de interés en raster se utilizó la herramienta “Reclasificación” (ver Figura 13 ). Los valores adjudicados iban de uno a tres para cada unidad de clasificación existente. El uno se aplicó a los valores que inhibían la recarga, el dos a valores medios y el tres a los que favorecían la recarga. Figura 13 Uso de Reclassify para los datos de pendiente

El producto de la reclasificación, son mapas de cada factor de interés (pendiente, litología, precipitación, etc.) con igual escala de clasificación. Ya con mapas de todos los factores con los mismos valores, se procedió a su combinación. Se usó la herramienta Weighted Overlay (ver Figura 14) y asigno un porcentaje de influencia a cada uno de los factores de interés (pendiente, Figura 14 Uso de herramienta Weighted Overlay con los mapas reclasificados

litología, precipitación, etc).

En la Figura 14 se puede ver en la columna de raster los mapas productos de la “Reclasificación”, el porcentaje de influencia asignado y la escala de valores de clasificación explicada en el párrafo anterior.

Para la asignación de los pesos se revisó la incidencia de cada uno en la regulación del ingreso del agua a la zona de recarga subterránea, es decir, se evaluó que tanto limitaba o favorecía la percolación del agua de lluvia, que es una forma directa de recarga. Por ejemplo, el tipo de roca es mucho más determinante que la densidad de drenaje, mientras que la precipitación es más influyente que todos los demás factores (Al Saud, 2010).

En la Tabla 10 se resume la asignación de pesos para cada factor, está se dio partiendo de que el clima es árido y la evapotranspiración supera a la precipitación. La porosidad es fundamental para que las lluvias se percolen rápidamente, por ello, el tipo de roca se consideró como factor fundamental y se le asignó el mayor peso (40%). (De Vries y Simmers, 2002)

El siguiente factor en importancia fue la precipitación, a la que se le asignó un peso del 20%, porque a más cantidad de lluvia mayor es el ingreso de agua al sistema. Con este mismo peso (20%) se valúo la vegetación porque al ser escasa no fuerza al agua a mantenerse en la superficie (Mendéz Monroy, 2013). A los factores densidad de drenaje y pendiente, se les asignaron los pesos de menor porcentaje (10%) porque son de carácter indirecto.

Tabla 10 Asignación de pesos a los factores para la reclasificación

Factor

Peso asignado para la reclasificación

Litología

40%

Precipitación

20%

Uso de suelo (cobertura vegetal)

20%

Densidad de drenaje

10%

Pendiente

10%

Total

100%

Justificación A la litología o tipo de suelo, se le asignó un peso significativo en este estudio (40%) porque el tipo de roca expuesta en la superficie es un factor que controla la percolación del agua (Shaban et al. 2006; El-Baz e Himida, 1995 en Yeh et al. 2009; Ribeiro, 2011). Mayor cantidad de lluvia, mayor probabilidad de recarga (Mahmoud et al. 2014) La cobertura juega un papel importante en la evaporación del agua interceptada, debido a que las hojas pueden retener del 10 al 50% de la precipitación total (Gerrits, 2010 citado en Mendéz Monroy, 2013). Factor de carácter indirecto, es decir, influye directamente a los anteriores factores, pero no a la recarga propiamente dicha, que está en función del ingreso de agua al subsuelo (Al Saud, 2010). Factor de carácter indirecto, es decir, influye directamente a los anteriores factores, pero no a la recarga propiamente dicha, que está en función del ingreso de agua al subsuelo (Al Saud, 2010).

El resultado de conjugar por medio de la herramienta de “Reclasificación” los diferentes mapas con los pesos indicados en la Tabla 10 ( ver Figura 15) dio como resultado el mapa de potencial ubicación de acuíferos subterráneos (potencial hidrogeológico).

Precipitación (20%) y uso del suelo (20%)

Densidad de drenaje (10%) y pendiente (10%)

LITOLOGÍA (40%)

Mapa de potencial ubicación de acuíferos subterráneos Figura 15 Porcentajes asignado a los factores

CAPÍTULO 4. RESULTADOS 4.1 RESULTADOS Con la información espacial básica descargada en el ICDE, el catálogo de mapas del SIAC, el SIG-OT y la NASA (National Aeronautics and Space Administration), se obtuvieron mapas de todos los factores y se presentan a continuación en formato raster a escala 1: 100.000. El último mapa es fruto de la superposición ponderada de los primeros cinco. 4.1.1 LITOLOGÍA (TIPO DE ROCA) La Tabla 11 muestra los porcentajes de cobertura para cada clase del factor de litología. Tabla 11 Resultados del factor de litología

Litología

Cobertura del área de estudio (%)

Los depósitos no consolidados de gravas y arenas, los depósitos de vertientes y procesos aluviales y las rocas sedimentarias consolidadas y semi-consolidadas de conglomerados y arenisca Depósitos e intercalaciones conglomerados de gravas y arenas, suelos metamórficos no consolidados y altamente fallados. Roca de origen volcánico y metamórfico como granitos, basaltos, granodioritas, cuarzo arenitas, esquistos, depósitos glaciares y otros

56% 4% 40%

En el departamento del Cesar predomina con un 56% la litología que favorece la infiltración del agua. En el Mapa 4 se muestra la distribución espacial de litología en función de su porosidad lo que determina su potencial hidrogeológico. El departamento concentra un alto potencial hidrogeológico hacia su zona centro, bordeado de áreas de bajo potencial. Llama la atención las pocas áreas con potencial mediano desde el punto de vista de la infiltración. Esto se debe a que se tiene un abanico aluvial de carácter claramente sedimentario bordeado de montañas con un predominio de rocas muy duras, impermeables debido a su composición (basaltos, granitos, dioritas) meteorizadas, se aúna que el territorio es poco fallado.

y poco

Mapa 4 Potencial hidrogeolĂłgico del factor de litologĂa

4.1.2 COBERTURA En la Tabla 12 se relacionan el porcentaje de área cubierto por cada tipo de vegetación seleccionado. Tabla 12 Porcentajes de cobertura de la vegetación por probabilidad

Cobertura del suelo (vegetación) Vegetación herbácea: los cultivos agrícolas de bajo porte (cereales), pastos y herbazales naturales. Vegetación arbustiva: los cultivos perennes (arbustos como café, cacao, oliva, uva, etc.) los arbustales, los pastos arbolados y los bosques muy intervenidos y fragmentados. Vegetación arbórea: el grupo de vegetación que realiza la máxima intercepción de la precipitación incluye bosques densos, bosques de galería y plantaciones forestales.

Porcentaje de cobertura del área de estudio 55% 38%

El rango que favorece el almacenamiento (vegetación herbácea) predomina con el 55%. Sigue el rango medio (vegetación arbustiva) con el 38%. El rango de zonas con baja probabilidad de encontrar agua subterránea (vegetación arbórea) cubre un 7%. En el Mapa 5 se muestra la distribución espacial de la cobertura (vegetación) en función de la interceptación que hace.

La vegetación herbácea en el área de estudio se asocia

prioritariamente a los suelos sedimentarios y la arbustiva a los suelos de menor capacidad de infiltración. En los sitios donde el suelo tiene menor capacidad de infiltración la vegetación de mayor porte presenta una distribución más homogénea.

Mapa 5 Potencial hidrogeológico de la vegetación en el Cesar

4.1.3 PRECIPITACIÓN En la Tabla 13 se relacionan el porcentaje de área para cada rango de precipitación.

Tabla 13 Porcentajes de cobertura de la precipitación por probabilidad

Rangos de precipitación 2501 a 4000 mm/año

Porcentaje de cobertura del rango en el área de estudio 6%

1501 y los 2500 mm/año

52%

1000 a 1500 mm/año

42%

Para el área predominan los sitios con probabilidad media (lluvia promedio), sigue la baja (poca lluvia) y por último la alta probabilidad con muchas lluvias. En el Mapa 6 se muestra la distribución espacial del factor de precipitación en función de su cantidad, lo que determina su potencial hidrogeológico. Las precipitaciones de mediana y baja cantidad cubren de forma regular los sectores de alta y baja infiltración.

Mapa 6 Potencial hidrogeológico de la precipitación en el Cesar

4.1.4 PENDIENTE En la Tabla 14 se relacionan los porcentajes de cobertura en el territorio para cada tipo de paisaje.

Tabla 14 Porcentajes de cobertura de la pendiente por probabilidad

Pendiente

Porcentaje de cobertura en el área de estudio

Paisaje plano (pendiente entre 0° y 20°)

74%

Paisaje ondulado (pendiente entre 21° y 35°)

15%

Paisaje montañoso (pendiente entre 36° y 90°)

11%

Para el factor de pendiente predomina el rango de alto favorecimiento para la infiltración y el almacenamiento (paisajes planos), sigue la media (áreas onduladas) y la baja (sitios montañosos). La pendiente muestra coincidencia con los tipos de roca, porque los sectores de mayor pendiente tienen rocas impermeables, mientras que las áreas planas poseen litología sedimentaria. En el Mapa 7 se muestra la distribución espacial de los rangos de probabilidad del factor de pendiente en función de su inclinación en grados lo que determina su potencial hidrogeológico.

Mapa 7 Potencial hidrogeolรณgico de la pendiente en el Cesar

4.1.5 DENSIDAD DE DRENAJE En la Tabla 15 se relacionan los resultados para cada rango de probabilidad del factor densidad de drenajes.

Tabla 15 Porcentajes de cobertura de la densidad de drenaje por probabilidad

Densidad de drenaje 2 0,5 a 1,5 Km/Km (cuencas con drenaje pobre) 1,51 a 2,5 Km/Km2 (cuencas con drenaje normal) 2,51 a 3,5 Km/Km2 (cuencas excepcionalmente bien drenadas)

Porcentaje de cobertura 56% 30% 14%

En la zona de estudio el 56% se encuentra en el rango de alta probabilidad porque son áreas con drenaje pobre, el 30% en el rango medio (drenaje normal) y el restante 14% pertenece al rango bajo porque son muy bien drenadas. Para el área de estudio la densidad de drenaje poco coincide con otros factores como la litología o la pendiente. En el Mapa 8 se muestra la distribución espacial del factor de densidad de drenaje en función de la impermeabilidad.

Mapa 8 Potencial hidrogeolรณgico de la densidad de drenajes en el Cesar

4.1.6 MAPA DE POTENCIAL UBICACIÓN DE ACUÍFEROS SUBTERRÁNEOS (POTENCIAL HIDROGEOLÓGICO) En la Tabla 16 se relacionan los resultados de los porcentajes de cobertura para cada rango de probabilidad de encontrar agua subterránea en el departamento del Cesar.

Tabla 16 Porcentajes de cobertura de cada uno de los rangos de probabilidad

Probabilidad de encontrar agua subterránea

Cobertura del área de estudio

Alto

27%

Medio

60%

Bajo

13%

En la Figura 16 se muestra la comparación de los porcentajes de cobertura los diferentes rangos de probabilidad para el departamento del Cesar.

Figura 16 Comparación de porcentajes de cobertura para el potencial hidrogeológico

En el Mapa 9 se muestra los rangos de alto, medio y bajo del potencial hidrogeológico del departamento del Cesar distribuido espacialmente.

Mapa 9 Potencial hidrogeolรณgico del departamento del Cesar

4.2 DISCUSIÓN DE RESULTADOS Derivado de la revisión de las metodologías de Yeh et al. (2009); Soares et al. (2012) y Mahmoud et al. (2014), se definieron los factores o criterios de estudio de interés para esta tesis. Estas metodologías contienen la mayor cantidad de factores que pueden ser identificados sin medidas directas y muestran una secuencia lógica y ordenada de pasos para su análisis.

La información espacial de los factores de litología, precipitación, cobertura, pendiente y densidad de drenaje pudo ser procesada de una forma conjunta usando el análisis espacial. El análisis espacial permitió realizar una selección ponderada del sitio. Esta herramienta permitió clasificar las celdas de trama y asignar una importancia relativa a cada factor en el análisis. El resultado de la selección ponderada del sitio fue una superficie de idoneidad con valores clasificados del 1 al 3, donde 1 era el menos adecuado y 3 el más adecuado. Esto permitió obtener las mejores opciones de sitio para el almacenamiento y la recarga de aguas subterráneas.

Por ser el departamento del Cesar una zona seca, la recarga es controlada por una vegetación pobre, un suelo permeable y lluvias intensas (De Vries y Simmers 2002). Con esta premisa se categorizó con valores altos de probabilidad de encontrar aguas subterráneas las áreas con las siguientes características: -

Litología de alta permeabilidad como los depósitos no consolidados de gravas y arenas, los depósitos de vertiente y los suelos aluviales.

Cobertura vegetal herbácea.

Mayores registros de precipitación.

Para el área de estudio la mayor limitante para la recarga es lo referente al ingreso de agua al sistema en forma de precipitación. El mayor rango (2501 a 4000 mm por año) solo ocurre en un 6% del territorio, mientras que valores medios (1501 a 2500 mm por año)

ocurren en un 52% y valores bajos (1000 a 1500 mm por año) en el restante 42% del territorio.

En Colombia, las zonas más áridas (zona de la Guajira) tienen promedios de precipitación anuales de 500 mm y las más húmedas (zona del Choco) de 6.000 mm. En la zona de estudio, los rangos que predominan (1000 a 2500 mm por año) indica que las precipitaciones son escasas. Por ello la importancia de que no sea interceptada y se percole favorablemente.

En el área de estudio la litología con el mayor valor de probabilidad de contener aguas subterráneas ocupa un 56% del territorio. Es el factor más importante porque mientras que en las zonas húmedas la precipitación supera a la evapotranspiración, en las zonas secas ocurre al contrario, por lo que la porosidad juega un papel fundamental para que las lluvias se profundicen antes de que se evaporen. La importancia del tipo de roca radica en que controla la circulación y el almacenamiento de las aguas subterráneas a partir de la permeabilidad. Por esta razón, este factor es la base de los estudios hidrogeológicos tradicionales (MAVDT, 2014; Al Saud 2010).

Otro factor de la zona de estudio que favorece la probabilidad de encontrar aguas subterráneas en el sitio de estudio es la cobertura. Predomina la vegetación herbácea con un 55% de área. Como esta vegetación ocupa un solo estrato en la vertical, no se sobreponen los individuos y al predominar las hojas lineares, no se retiene la lluvia. Respecto a la pendiente, también favorece el potencial hidrogeológico porque domina el paisaje plano en un 74% del territorio. La escasa pendiente favorece la percolación ya que no se presenta escurrimiento hacía drenajes superficiales.

La densidad de drenaje refuerza la identificación de las áreas de almacenamiento porque funciona como un indicador del potencial de infiltración, al ser una función inversa a la permeabilidad. En el Cesar el 56% del terreno tiene una densidad de 0,5 a 1,5 km de drenajes por km2, es decir, una baja cantidad de drenajes discurre por la superficie debido a la presencia de una litología que favorece la percolación del agua. Como la densidad de

drenaje tiene un papel en la determinación de la escorrentía, en el departamento del Cesar las aguas que no se infiltran en la zona montañosa drenan hacía las pendientes más suaves del área de estudio. Esto refuerza el potencial hidrogeológico de las áreas planas.

Para facilitar la interpretación de los resultados, se ubicaron todos los mapas por factor en una sola imagen para poderlos comparar (ver Figura 17). Al analizar los porcentajes en conjunto: litología (56% de áreas con alta infiltración); cobertura (55% de herbácea que favorece la infiltración); precipitación (42% de altas lluvias frente a un 52% de lluvias promedio);

pendiente (paisaje plano en un 74%); drenaje (pobre en un 56%). Se

esperaría que la región tuviera un alto potencial en gran parte de su extensión, pero no es así: solo un 27% del Cesar tiene un alto potencial hidrogeológico.

Esto se atribuye a que la favorabilidad de los factores varía en ubicación. Como ejemplo se colocó un recuadro rojo con la misma ubicación en todos los mapas para facilitar la comparación. El resultado fue que las áreas de poca infiltración coincidieron con lugares de cobertura arbustiva (potencial medio) y pendientes entre medias y altas. Estos tres factores conjugados determinarían un bajo potencial. Pero en el mapa final se evidencia un área en el sector de bajo potencial con un mayor potencial hidrogeológico y de manera visual se deduce que es determinado por el factor de precipitación. Al recibir más lluvia tiene más recarga.

En el mismo cuadro en la esquina inferior derecha se encuentran sitios con alta infiltración, cobertura herbácea, bajas pendientes y baja densidad de drenaje (todos factores que favorecen el potencial hidrogeológico) pero con bajas precipitaciones. Esto resulta en un área de potencial medio (desde el punto de vista puramente litológico el valor sería alto). Entonces, así el sitio posea una litología permeable, si la precipitación es poca, y posee cobertura, el potencial hidrogeológico no es significativo. Al observar el conjunto de mapas, destaca la limitación del factor de precipitación, que marca el límite para una mayor área de alto potencial.

Figura 17 ComparaciĂłn de los mapas resultado de la propuesta: De izq a der. Arriba: mapas de litologĂa (1), cobertura (2), precipitaciĂłn (3), Abajo: pendiente (4), densidad de drenaje(5) y de potencial hidrogeĂłlogico (6)

A diferencia con la técnica tradicional en donde la litología tiene una mayoría absoluta, esta propuesta da importancia a la recarga y a la interceptación, también a la oportunidad del agua para profundizarse. Aunque el IDEAM (2014) recomienda el uso del estudio hidrológico junto a los resultados de los sondeos, no indica cómo integrar los resultados de ambos estudios. En esta propuesta se muestra un método fácil de hacerlo a través del análisis espacial.

Una vez identificados los sectores con potencial para almacenar agua subterránea, los métodos de Balance hídrico, DRASTIC y APLIS, señalados en el marco teórico, refinan la obtención del resultado. Estos métodos buscan predecir la cantidad de agua que entra al complejo subterráneo, porque su objeto es calcular un valor para la recarga. La aplicación de uno de estos modelos se considera un paso posterior a los objetivos de esta tesis y se propone sea abordado en otro estudio. Su énfasis sería estimar el volumen del acuífero ya identificado, para planificar la demanda.

Se halló en esta investigación una omisión en los estudios del IDEAM, SGC y CORPOCESAR (basados en mediciones directas) de factores que se pueden determinar a partir de información secundaria. La cobertura, la densidad y demás factores superficiales son considerados irrelevantes, situación contraria a lo hallado a nivel internacional.

Este desinterés en parte se debe a la riqueza hídrica superficial de la que se gozaba hasta hace unos años, y que no hizo latente la necesidad de investigar sobre los recursos subterráneos. También hay una falta de integración de la academia y las entidades responsables del manejo del recurso. No se incorporan los frutos de la investigación en los manuales de uso de los recursos. 4.2.1 COMPARATIVA CON RESULTADOS DE METODOLOGÍAS DIRECTAS El IDEAM en un esfuerzo de conocer la oferta hídrica subterránea del Cesar, definió el modelo hidrogeológico conceptual. Fue elaborado a nivel de sub-provincias a partir de la información hidrogeológica existente.

Esta información es el resultado de estudios

geológicos de superficie y de subsuelo y el inventario de puntos de agua como pozos,

aljibes y manantiales (CORPOCESAR-IDEAM, 2006).

En la Figura 18 se detalla la

importancia hidrogeológica de las provincias según el IDEAM.

Provincias hidrogeológicas del Cesar

Importancia hidrogeológica Grande (la más importante) Intermedia a baja Baja Baja Intermedia a grande Intermedia a grande

Figura 18 Importancia hidrogeológica de las provincias hidrogeológicas del Cesar

De las subprovincias hidrogeológicas destaca la del Planicie del Cesar. Es calificada como el más grande e importante reservorio potencialmente explotable de aguas subterráneas por estar en su mayoría constituida por sedimentos aluviales. Las demás subprovincias varían en importancia y las categorizan con valores que oscilan de importancia hidrogeológica grande a baja (CORPOCESAR-IDEAM, 2006).

Este tipo de estudios directos son escasos en Colombia. Los del Cesar fueron financiados con regalías de una multinacional carbonífera presente en la zona. Y la mayoría de regiones no cuentan con estos ingresos. Por ello la importancia de aplicar métodos indirectos más económicos. Al comparar los dos mapas de la Figura 19, se encuentran similitudes en lo referente al potencial hidrogeológico de las áreas. Visualmente se ve que los sectores categorizados como de alta probabilidad por este estudio se enmarcan en la planicie del Cesar, y en los valles inferior y medio del Magdalena.

El mapa propuesto tiene mayor nivel de detalle porque considera el ingreso de agua y no solo el almacenamiento de la misma. Es decir, un terreno puede tener capacidad de infiltración y almacenamiento pero si no llueve, no tiene recarga. Este resultado permite sugerir la metodología de este estudio como un primer paso para identificar sitios con potencial de aguas subterráneas. Las medidas de carácter directo solo se llevarían a cabo para avalar la información colectada, lo que permite la disminución de costos.

Mapa 9 Potencial hidrogeológico del departamento del Cesar Provincias hidrogeológicas del Cesar Fuente: CORPOCESAR-IDEAM, 2006. Figura 19 Comparación resultados técnicas tradicionales vs propuesta

CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Los factores usados en estudios internacionales para determinar sitios potenciales de aguas subterráneas, y que tuvieron resultados satisfactorios fueron la litología,

precipitación, los lineamientos, el drenaje, la pendiente y el uso del suelo. Para efectos de este estudio se eligieron todos a excepción de los lineamientos que son un factor de preponderancia en zonas húmedas, lo cual no aplica a la zona de estudio que es de árida a semi-árida (seca).

En la revisión de literatura se encontró que para zonas secas se debían priorizar las zonas con suelos favorables a la percolación de la precipitación. En razón a esto, se asignó el mayor peso al factor de litología con un 40%. Para el departamento del Cesar se determinó un alto potencial de agua subterránea para las zonas donde se dio un efecto combinado de suelos permeables, presencia de precipitaciones, cobertura pobre y pendientes suaves.

Al comparar el mapa propuesto vs el resultado de técnicas geoeléctricas, se encontró que los sectores categorizados como de alta probabilidad se enmarcan en la planicie del Cesar, y en los valles inferior y medio del Magdalena. Pero se obtuvo mayor nivel de detalle con el mapa propuesto, esto se debe porque se considera la recarga de agua, y no solo su almacenamiento. Así el terreno tuviera suelos permeables, poca cobertura y baja pendiente, sin la presencia de precipitaciones, el análisis de idoneidad no lo priorizaba.

Se determinó que al incluir otros factores aparte de la litología se reducen las áreas con potencial hidrogeológico. Porque no todos los atributos que favorecen la infiltración y el almacenamiento coinciden en los mismos sitios. Esta es la ventaja del análisis ponderado, permite evaluar de manera espacial diferentes aspectos del territorio que determinan un solo fenómeno natural.

En lo que hallado durante la investigación, se encontró que cuando se usan estudios geoeléctricos en la determinación de acuíferos subterráneos no integran factores como la precipitación, la cobertura, la pendiente o la densidad de drenajes por considerarlos irrelevantes.

Esta propuesta surge de la revisión de varios estudios de caso con condiciones climáticas de aridez y de semi-aridez. En el caso de Colombia el área de estudio se puede ampliar a los departamentos de La Guajira y el Magdalena. A nivel Latinoamericano se puede aplicar en áreas como Perú, Ecuador y Chile, que también comparten la necesidad de usar sus acuíferos subterráneos. A nivel internacional, países como Arabia Saudita, Egipto, India e Israel son pioneros en estas investigaciones.

Por último, este documento busca ser de fácil aplicación, al usar herramientas disponibles en cualquier programa de SIG. También motiva a usar la información que se consigue de forma gratuita en los portales gubernamentales. Se propone sea aplicado en los estudios de prefactibilidad de proyectos de acueductos rurales, que tienen presupuestos ajustados.

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ANEXOS Anexo 1 Lista de los tipos de roca del departamento del Cesar

No.

Tabla 17 Tipo de roca, potencial hidrogeológico Descripción geológica

Shales, calizas, arenitas, cherts y fosforitas

Potencial hidrogeológico Alto

Conglomerados y lodolitas grises intercalados con calizas y arenitas

Alto

Arenitas de grano fino a medio intercaladas con lodolitas y mantos de carbón. En ocasiones, calizas y arenitas calcáreas. Conglomerados de bloques a guijos con intercalaciones de arcillas y arenitas de grano fino a grueso Conglomerados, y arenitas líticas conglomeráticas intercaladas con arcillolitas, limolitas y turbas. Depósitos paludales

Depósitos aluviales y de llanuras aluviales

Alto

Abanicos aluviales y depósitos coluviales

Alto

Calizas, lodolitas calcáreas y shales. También fosforitas, cherts, bentonitas y arenitas glauconíticas. Conglomerados; arenitas de grano fino a medio con intercalaciones de limolitas, y arcillolitas rojizas. Capas rojas constituidas por arenitas, conglomerados y limolitas.

Medio

Intercalaciones de conglomerados, arenitas líticas a sublíticas de grano medio a conglomeráticas, arenitas calcáreas y lodolitas. Limolitas silíceas, shales, cuarzoarenitas y calizas arenosas intercalados con basaltos o diabasas espilíticas. Filitas, cuarcitas, metaconglomerados y metarenitas feldespáticas y calcáreas

Medio

Bajo

Cuarzoarenitas y arenitas feldespáticas de grano medio a conglomeráticas, y conglomerados. Ignimbritas riolíticas ricas en fragmentos líticos de limolitas, basaltos, cuarzolatitas y granitoides. Calizas, lodolitas negras y margas. Cuarzoarenitas de grano fino y lodolitas arenosas.

Cuarzoarenitas, arcillolitas, lodolitas grises y, ocasionalmente, calizas y conglomerados.

Bajo

Cuarzodioritas que varían a dioritas

Bajo

Arenitas, limolitas y calizas intercaladas con tobas, brechas, aglomerados y lavas riolíticas a andesíticas. Ignimbritas félsicas, tobas y lavas riodacíticas.

Pórfidos dacíticos y andesíticos

Bajo

Granodioritas que varían de sienogranitos a tonalitas y de cuarzomonzonitas a cuarzomonzodioritas Riolitas

Lodolitas negras y calizas bituminosas intercaladas con cherts negros

Bajo

Gneises cuarzofeldespáticos, migmatitas, granulitas, anfibolitas, ortogneises, cuarcitas y mármoles.

Bajo

4 5

10 11 12 13 14 15 16

Alto Alto Alto

Medio Medio

Bajo Bajo

Bajo

Ortogneises graníticos a tonalíticos y paragneises de composición anfibolítica y textura migmatítica Granitos con moscovita

Conglomerados basales, arenitas rojas y calizas.

Bajo

Depósitos glaciares

Bajo

Metalodolitas, metarenitas, metaconglomerados y mármoles.

Bajo

Fuente: Adaptado de SGC, 2015

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