Construcción del modelo de un acuífero

IV CONCURSO REGIONAL DE PROYECTOS
DE CIENCIAS
MUSEO DE LAS CIENCIAS DE CASTILLA-LA MANCHA
Modelo informe-resumen
DATOS (introducir los datos en el cuadro inferior)
Proyecto: Construcción del modelo de un acuífero
Modalidad: Construcción de un modelo
Tutor/a: Leonardo Villaverde Valero
Centro: Colegio Salesiano San Juan Bosco Puertollano
Curso: 4º ESO y 1º Bachillerato
Localidad y Provincia: Puertollano (Ciudad Real)
Fotografía del equipo
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
I-R
INFORME RESUMEN DEL PROYECTO:
Datos coordinación del proyecto
Nombre y Apellidos: Leonardo Villaverde Valero
Centro Destino: Colegio San Juan Bosco
Localidad y Provincia: Puertollano, Ciudad Real
Abstract –
El Proyecto consiste en la construcción del modelo de un acuífero, intentando investigar y deducir la
causa de los fenómenos sucedidos en el subsuelo del paraje natural de las Tablas de Daimiel.
Por tanto, el propósito es estudiar el comportamiento del acuífero, extraer los datos necesarios para
“predecir” que consecuencias traerá en el medio natural la sobreexplotación de dicho acuífero.
Nuestra hipótesis es que fue la sobreexplotación de los pozos del acuífero lo que causó el incendio del
subsuelo en las Tablas de Daimiel.
Seguimos una metodología sencilla: construcción del modelo de un acuífero, trabajando sobre la
maqueta, probando con distintos materiales. Realización de extracciones regulares de agua hasta secar el
acuífero. Instalación de pozos adyacentes para estudiar el efecto sobre el rendimiento.
Siguiendo esta metodología, nuestras conclusiones fueron:
-Que el incendio del subsuelo se debió a una combustión espontánea de la capa de turba existente al
quedar seca. Hemos emulado utilizando el mismo fundamento, pero trabajando con alcohol y sodio, lo
que produce exactamente el mismo efecto.
-También hemos obtenido que la construcción de varios pozos adyacentes disminuye el nivel freático de
todos ellos.
- La disminución de la cobertura vegetal provoca un aumento de la escorrentía superficial y una
disminución de la permeabilidad del suelo.
The project involves the construction of the model of an aquifer trying to investigate and discern
the cause of the phenomena that occurred in the subsoil of the natural landscape of the Tablas
de Daimiel.
Therefore, the purpose is to study the behavior of the aquifer, extract the necessary data to
"predict" what will have impact on the natural environment overexploitation of the aquifer.
Our hypothesis is that it was the exploitation of wells on the aquifer which caused the fire in the
subsoil in the Tablas.
We follow a simple methodology: building a model aquifer, working on the model, testing
different materials.
Making regular withdrawals of water to dry up the aquifer. Installation of wells adjacent to each
other to study the effect on performance. Following this methodology, our findings were:
- That the combustion of ground was due to spontaneous combustion of the dried out
peat layer. We recreated this using the same basis, but working with alcohol and sodium, which
produces exactly the same effect.
- We have also found that the construction of several adjacent wells lowers the water table in all
of them.
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
I-R
Introducción –
En la actualidad, según datos del Instituto Geológico y Minero de España,
existen en nuestro país, excluidas las islas Canarias, que constituyen un gran
acuífero volcánico, algo más de mil acuíferos, que ocupan casi la mitad de la
superficie del país y proporcionan entre veinte y treinta mil millones de
metros cúbicos anuales de agua, aunque la reserva es muchísimo mayor. Con
esta cantidad de agua subterránea se atienden el 30% de los abastecimientos
urbanos e industriales y el 27% de la superficie de riego, aunque su
distribución es bastante desigual, según se desprende del "Libro Blanco del
Agua en España".
Con esta investigación se pretende estudiar el comportamiento de los
acuíferos. La sobreexplotación del acuífero de las Tablas de Daimiel llevó a
la combustión espontánea de la capa de turba del subsuelo.
El propósito es reproducir a escala un acuífero y simular en el modelo la
sobreexplotación intentando predecir las consecuencias que puede tener
sobre el medio natural. También se trata de reproducir el curioso fenómeno
del incendio del subsuelo de las Tablas.
Las hipótesis son que si se sobreexplota el acuífero, además de disminuir las
reservas de agua para el riego, se ejerce un impacto ambiental sobre el suelo
que perjudica a la recarga natural del acuífero. Además partimos de la
hipótesis de que la combustión de las Tablas se produjo al secarse la materia
orgánica y entrar en contacto con el aire, lo que vamos a intentar recrear
usando una reacción química diferente a la combustión orgánica, pero que se
comporte igual.
La metodología es construir un modelo de acuífero a escala, introduciendo
varios elementos geomorfológicos además de varias perforaciones que
emulan sondeos para la extracción de agua de riego. Recargando el acuífero,
se analiza qué pasa cuando regularmente se va extrayendo agua. Así,
periódicamente se extrae agua del acuífero y se observan los niveles
freáticos de los pozos y del propio acuífero.
Se construye así mismo un acuífero artificial de menor tamaño en el que se
introduce sodio metálico inundado en alcohol, se hace evacuar el alcohol y
se observa cómo el sodio reacciona con la humedad y arde espontáneamente.
Además del material bibliográfico que detallamos en el apartado de
bibliografía, nos hemos basado en un trabajo titulado “ Situación actual del
Campo de Montiel” por José Julio Villaverde Valero, de 1996.
Metodología –
MATERIALES EMPLEADOS:
-
Recipientes de plástico de 3,5 litros.
-
Recipientes de plástico de 5 litros.
-
Recipientes de plástico de 70 litros.
-
Arena de grano fino-medio.
-
Arcilla de alfarería.
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
-
Goma espuma.
-
Porexpan
-
Tubos de PVC.
-
Pipetas
-
Etanol
-
Sodio
-
Buretas y vasos de precipitados.
-
Tapones de corcho
-
Tapones de goma
I-R
DISEÑO EXPERIMENTAL
En recipientes de plástico transparente que tienen forma de caja se han
probado distintos materiales para recrear un acuífero natural. Nos basamos
en que tiene que haber al menos dos capas: una capa de material poroso y
otra de material impermeable.
Se ha experimentado con distintas combinaciones de materiales. En los
primeros experimentos, pusimos capas de porexpan y debajo goma espuma.
Aunque estos materiales parecían comportarse como queríamos, en
nuestro empeño por que nuestro modelo sea lo más realista posible,
empezamos pronto a emplear arcilla y arena, que son los materiales de los
que se componen la mayoría de los acuíferos.
Este modelo se construye con una capa de arcilla impermeable en la parte
inferior, con la finalidad de disminuir al máximo las pérdidas de agua desde
el fondo, que serían difícilmente explicables desde el modelo.
Encima de esta capa arcillosa colocamos una capa de arena de grano
fino-medio, para simular las características del acuífero y ver su
comportamiento. Sobre esta capa se coloca otra de arcilla, modelando los
elementos geomorfológicos típicos de la superficie, como son colinas poco
elevadas, zonas inundables, con poco relieve, e incluso, el curso de algún río
de cierta importancia.
Los sondeos se hacen mediante la inserción de tubos de PVC perforados
lateralmente para que absorban mejor el agua.
Para simular el incendio de las Tablas, usaremos una característica que
tiene el sodio, y es que arde en presencia de la humedad del aire. Por ello, se
construye un recipiente con desagüe y se protege el sodio del aire con etanol.
PROCEDIMIENTO
Se recarga el acuífero artificial hasta que el nivel freático quede por
encima del nivel de las perforaciones que se han hecho en la capa exterior. A
partir de este punto se comienza a hacer extracciones regulares del/los pozos;
se observa tanto el tiempo que el pozo tarda en recuperar su nivel freático
como el impacto que tiene cada extracción en los elementos
geomorfológicos como ríos o lagos. Se suma la cantidad total extraída hasta
que el nivel freático desciende tanto como para considerar que se han
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
I-R
“agotado” los pozos y se comprueba el efecto que se ha producido en la
superficie total del acuífero.
En el recipiente con desagüe se pone una base de goma espuma y se
inunda con etanol, de manera que quede totalmente sumergida en dicho
líquido. Se ponen trozos de sodio en la goma espuma, se abre el desagüe y se
evacua el etanol.
Resultados Se obtuvieron los siguientes resultados cualitativos:
-
Es imposible trabajar a escala con las dimensiones de los materiales
de que disponemos.
-
Antes de que se agoten los pozos totalmente, se han secado los ríos y
los lagos.
-
Si se perfora en una zona cuya superficie está por debajo del nivel
freático, se ha generado un manantial.
-
El sodio arde en contacto con la humedad ambiental, comienza con
una combustión suave, pero luego se hace explosiva. En la turba,
ocurre lo mismo, puesto que hay gases como metano, butano, etc.
Procedentes de la descomposición de la materia orgánica que
provocan explosiones parecidas.
-
En la zona alrededor del sondeo, se genera un cono de menor
humedad que el resto, que posteriormente se recupera cuando la
porosidad se vuelve a rellenar de agua.
-
Cuando se ponen varios pozos en la misma zona, esta zona cónica
donde disminuye el agua entre los poros, se hace mucho mayor, y
más profunda. Esto implica mayor tiempo de recuperación del nivel
freático de todos los pozos de la zona.
Discusión de Resultados
- Se ha observado que la cantidad de agua que se extrae de un solo pozo, no
se corresponde con la realidad, puesto que ha sido imposible, con el tamaño
del equipo construido hacer la extracción a esa escala.
-
No obstante, como extraemos más agua de la que proporcionalmente se
extraería en un acuífero real, aceleramos el proceso, por lo que la
hipótesis inicial no debe rechazarse de momento.
-
En la simulación del incendio se comprueba cómo realmente al quedar
seca la capa de turba, se incendia debido a que entran en contacto los
materiales combustibles que la componen con el oxígeno del aire, igual
que cuando el sodio deja de estar químicamente protegido por el alcohol.
-
Cuando se ponen varios pozos adyacentes, disminuye el nivel freático
en la zona circundante, disminuyendo la capacidad de recuperación de
todos ellos.
-
Cuando se recarga el acuífero, se observa que se recupera la actividad
normal del ecosistema, con lo que se vuelven a recuperar las condiciones
de permeabilidad del terreno.
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
I-R
-
La capacidad de recuperación del nivel freático del pozo depende de la
cantidad de agua que se ha extraído previamente del propio pozo, y
también de los de alrededor.
-
Cuando la perforación se hace en terrenos que se encuentran por debajo
del nivel freático del acuífero, el agua tiende a ascender por encima del
nivel del suelo, formándose así un manantial.
-
Hay que hacer constar, que aunque las intenciones del proyecto desde el
inicio fueron mantener la escala, ha sido imposible llevarlo a término, ya
que el diámetro de los sondeos necesarios era tan pequeño que hacía
inviable el proyecto. Aún así, creemos que las conclusiones siguen
siendo válidas, porque otra de las variables a manejar es el tiempo, que
de esta manera, utilizando sondeos con mayor diámetro, hemos reducido
Conclusión -
La disminución de la reserva del acuífero tiene un impacto sobre el
ecosistema, puesto que seca ríos, afecta a la vida acuática, degrada el
suelo y hace que se pierda diversidad vegetal.
-
Cuando el suelo pierde la permeabilidad natural, se produce un retardo
en la capacidad de recarga.
-
Cada pozo excavado en la misma zona que otros afecta al rendimiento de
los pozos vecinos. Esto es debido a que se forma un “cono” en el nivel
freático que se hace mayor, cuanto menor sea la reserva de agua.
-
La humedad superficial y los caudales de los ríos del acuífero
demuestran pronto sensibilidad a la disminución de las reservas de agua
de dicho acuífero.
-
La capa orgánica del subsuelo (turba) está originada por la
descomposición de restos vegetales, en la que además de la propia
materia orgánica, se encuentran gases combustibles que proceden de
dicha descomposición.
-
La sobreexplotación de los acuíferos naturales trae consecuencias no
solamente ecológicas sino económicas, ya que además de disminuir la
calidad del agua hace que se necesite más energía para extraerla.
-
En un futuro proyecto de investigación se podría construir un modelo del
perfil de un río, con sus cursos alto, medio y bajo, cambiando las
condiciones de pluviosidad y temperatura, tratando de medir los efectos
de la erosión en los distintos cursos. También podemos estudiar el
impacto de la construcción de embalses en la reactivación de la acción
erosiva del río.
-
Las conclusiones se corresponden con las hipótesis establecidas cuando
iniciamos este estudio.
-
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
I-R
Bibliografía - Haced un listado de los libros y revistas que habéis
usado para buscar información. (10-20 líneas)
-ALONSO, C. (1989). «Soluciones para los acuíferos del Campo de Dalías». In “La
sobreexplotación de acuíferos”, I: 147-156
- FOSTER, S.S.D. (1991). «Unsustainable development and irrational exploitation of
groundwater resources in developing nations - an overview». XXIII IAH Congress, I:
385-401.Canary Island.
- MARTÍNEZ ALFARO, P.E.; MONTERO, E.; LÓPEZ-CAMACHO, B. (1992). «The
impact of the overexploitation of the Campo de Montiel aquifer on the Lagunas de
Ruidera
ecosystem». Selected Papers IAH; 3: 87-91. Verlag Heinz Heise. Hannover.
- CUSTODIO, E. (1996). «Explotación racional de las aguas subterráneas». Acta
Geológica
Hispánica; 30: 21-48.
- http://es.wikipedia.org/wiki/Agua_subterr%C3%A1nea
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
I-R
Apéndices –
Diario experimental
12 de Noviembre de 2009
Después de nuestro examen de historia, convocamos la primera reunión, se exponen ideas del futuro proyecto y
quedamos para mañana decidir el definitivo.
13 de Noviembre de 2009
Realizamos la votación. Decidimos realizar una investigación experimental sobre acuíferos.
20 de Noviembre de 2009
Reunión en sala de ordenadores. Navegamos por internet para documentarnos sobre cómo construir un acuífero
artificial.
26 de Diciembre de 2009
Nos ponemos con la obtención de los primeros materiales: Caja de plástico de 2 L. de capacidad, arena, y tubos de
PVC. Rellenamos por primera vez el acuífero y el “pozo” se llena de agua.
11 de Enero de 2010
¡Feliz año nuevo! Es hora de construir un modelo de mayor tamaño. Amasamos arcilla para construir la base.
12 de Enero de 2010
Rellenamos el recipiente de arena. Buscamos información bibliográfica.
19 de Enero de 2010
Recargamos el acuífero y cavamos un pozo: Tubo de PVC de una pulgada. Empezamos a darnos cuenta de que va a
ser muy difícil trabajar a escala.
4 de Febrero de 2010
Hemos estado buscando información sobre caudales de extracción del acuífero, caudales de lluvia, dimensión de la
reserva de agua… Y decidimos que hay que disminuir aún más el diámetro de los pozos si queremos trabajar a escala.
18 de Febrero de 2010
Utilizamos tuberías de vidrio cada vez más pequeñas que hemos cortado con la lima después de haberlo calentado
casi al rojo vivo. Vamos a probar con capilares.
25 de Febrero de 2010
No podemos usar capilares. Su comportamiento físico no nos sirve para simular pozos. Va a ser muy difícil trabajar a
escala. Modelamos otra capa de arcilla esculpiendo elementos típicos de la superficie como colinas poco elevadas,
zonas inundables y un río.
1 de Marzo de 2010
Comprobamos que la arcilla está seca y perforamos para que el agua pueda ascender hasta “los ríos” y las zonas
inundables.
4 de Marzo de 2010
Con mucho cuidado y una broca, taladramos un pozo y empezamos a extraer agua. El efecto en el río es inmediato. A
la media hora volvemos a hacer otra descarga del pozo y vuelve a bajar. Se observa que el río y los lagos se secan
antes que el pozo.
11 de Marzo de 2010
Un jueves más. El pozo está completamente seco. Aparte de la perforación que ya teníamos hecha, realizamos otra y
al rellenar el acuífero, el nivel freático ascendió por encima de la superficie arcillosa, por lo que nos encontramos que
en ese pozo se generó un manantial.
16 de Marzo de 2010
Ya tenemos excavados dos pozos, por lo que volvemos a rellenar el acuífero y vemos que el efecto que se crea al
competir ambos pozos es que se rellenan a menor velocidad.
18 de Marzo de 2010
Nos vamos al Camino de Santiago. Tenemos que apartar el proyecto por unos días.
8 de Abril de 2010
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
I-R
Después de unos días de descanso, nos hemos encontrado en el correo el informe resumen, por lo que comenzamos a
cumplimentarlo. Por otro lado, comenzamos a experimentar con el sodio para intentar simular las reacciones
sucedidas en las capas del subsuelo de las Tablas de Daimiel.
15 de Abril de 2010
Seguimos experimentando con sodio y etanol, que como ya hemos dicho, provoca reacciones parecidas, y nos
encontramos que después de arder lentamente explota.
22 de Abril de 2010
Nos reunimos para recopilar toda la información y conclusiones obtenidas y ver que partes del informe resumen
quedan por completar. Seguimos sin tener resultados numéricos fiables.
23 de Abril de 2010
Seguimos recargando el acuífero y haciendo extracciones. Todos los fenómenos que hemos observado hasta ahora se
reproducen. Mientras tanto, seguimos cumplimentando el informe resumen.
26 de Abril de 2010
Completamos el apartado de resultados en el informe resumen.
29 de Abril de 2010
Damos la forma definitiva al informe y hacemos una revisión para ver cómo ha quedado finalmente.
Fotografías
Trabajando la arcilla para modelar la capa impermeable
IV Concurso Regional de Proyectos de Ciencias de Castilla-La Mancha.
Recargando el acuífero
Midiendo el nivel freático.
I-R