Search

Management of uncertainty in hydrologic modeling is related to our ability to (a) select appropriate values for model parameters and (b) assess the extent to which their variation affects a simulat...

El transporte de solutos no conservativos en medios porosos o fracturados es altamente influenciado por su heterogeneidad. Complejidad adicional se agrega al proceso de transporte, debido a la presencia de diferentes tipos de reacciones químicas que controlan la evolución de las concentraciones de las especies en el medio. Muchas de esas reacciones químicas están gobernadas por la mezcla de aguas con diferente calidad geoquímica. La mezcla produce desequilibrio químico instantáneo en el agua mezclada resultante, y las reacciones dan lugar para que se re-equilibre el sistema.Esta disertación doctoral estudia el transporte en medios heterogéneos cubriendo diferentes y tipos de acuíferos. Primero, el flujo y el transporte se analizan en rocas fracturadas, las cuales poseen baja permeabilidad. Estas formaciones son estudiadas usando como modelo conceptual las Redes Discretas de Fracturas, donde se considera el medio como una densa red de fracturas que se interconectan y conducen agua. Este modelo de es una alternativa válida para conceptualizar el transporte de solutos en el medio fracturado, pero tradicionalmente no se ha utilizado para analizar ni el transporte ni el flujo en una modelación de tipo problema inverso, debido a su alto costo computacional.El transporte de solutos conservativos en medios heterogéneos puede modelarse con una ecuación efectiva que involucre un término de transferencia de masa entre la zona móvil y la zona inmóvil. La segunda parte de la disertación explora la posibilidad de extender esta idea para tener en cuenta las especies reactivas. Se parte de la consideración de que las especies están en equilibrio químico local, el cual es alcanzado instantáneamente. El impacto de la heterogeneidad del medio en el transporte efectivo es representado por un modelo de tasa de transferencia múltiple de masa (MRMT), el cual aproxima el medio a un multicontinuo de una región móvil y varias regiones inmóviles, las cuales se relacionan por una transferencia de masa cinética. Partiendo del hecho de que todas las regiones están bien mezcladas, el equilibrio global no se preserva. Esta imposición implica que las reacciones tomen lugar en todo el dominio, y sean dominadas tanto por la dispersión local como por la transferencia de masa. Se derivaron expresiones explícitas para calcular las tasas de reacción en las regiones móvil e inmóvil y se estudió el impacto de la transferencia de masa en el transporte reactivo. Las tasas de reacción pueden cambiar significativamente comparadas con aquellas que se obtendrían en un medio homogéneo. Para una amplia distribución de tiempos de residencia en las zonas inmóviles, el sistema podría tomar mucho más tiempo para equilibrar globalmente el medio comparado que para un medio homogéneo.El último tema abordado en esta disertación es el análisis del transporte de especies bajo condiciones de cinética química o equilibrio no instantáneo. El transporte reactivo a escala local es analizado bajo dos situaciones: (i) con una reacción sencilla y (ii) con dos reacciones simultáneas: una considerada instantánea y la otra como lenta respecto al tiempo característico de transporte. En la primera situación de las dos planteadas, es posible concluir que el problema puede ser reescrito sólo en términos del estado inicial del sistema más una ecuación diferencial para la tasa de reacción. El resultado clave es que la tasa de reacción en equilibrio depende de un término relativo a la mezcla y a la reacción cinética, la cual es de hecho el factor que controla la disponibilidad de reactantes en el sistema, y la distribución de las combinaciones lineales de las concentraciones acuosas de las especies, llamadas componentes tanto conservativas como cinéticas. Desde un punto de vista operacional, estas expresiones permiten el cálculo directo de las tasas de reacción en equilibrio sin la necesidad de calcular las concentraciones de las especies acuosas., Transport of non-conservative species or solutes in porous or fractured media is highly influenced by heterogeneity. Additional complexity is added to the processes due to the presence of different types of chemical reactions that control the fate of species concentrations in the medium. Many of these chemical reactions are governed by mixing of waters with different geochemical signature. Mixing yields instantaneous chemical disequilibrium in the resulting mixed water, and reactions take place to re-equilibrate the system.This dissertation studies transport in heterogeneous media covering different problems (flow, conservative transport and reactive transport) and in different aquifer types. First, we analyze flow and transport in low permeable highly fractured massifs. These are studied using the Discrete Fracture Network (DFN) approach, where a dense network of water-conducting intersecting fractures is considered. The DFN approach traditionally has lacked the possibility of analyzing transport (as well as flow) in an inverse problem framework. The actual tracer test, performed with a conservative solute (deuterium), evidences Non-Fickian behavior, characterized by tailing in the breakthrough curve.As a consequence, transport of conservative solutes in heterogeneous media can be modeled with an effective equation involving a mass transfer term between the mobile and some immobile zones. In the second part of the thesis we explore the possibility of extending this idea to account for transport of reactive species. We start by considering species where local chemical equilibrium conditions are reached instantaneously. The impact of the medium heterogeneity on effective transport is represented by a multi rate mass transfer approach, which models the medium as a multiple continuum of one mobile and multiple immobile regions, which are related by kinetic mass transfer. Even though all regions (mobile and immobile) are assumed to be well mixed (local equilibrium), globally equilibrium is not preserved. The imposition of local equilibrium at all points implies the need for reactions to take place all through the domain, driven by both local dispersion and mass transfer. We derive explicit expressions for the reaction rates in the mobile and immobile regions and study the impact of mass transfer on reactive transport. The reaction rates can change significantly compared with the ones that would be obtained in a homogeneous media. For a broad distribution of residence times in the immobile zones, the system may take much more time to equilibrate globally than for a homogeneous medium.The last topic addressed in this Thesis is the analysis of transport of species undergoing non-instantaneous (kinetic) chemical equilibrium. Reactive transport at the local scale is analyzed under two situations: (i) with a single kinetic reaction and (ii) with two simultaneous reactions: one considered instantaneous and the other one being slow related to the transport characteristic time. In the first problem of these problems, we find that the problem can be rewritten only in terms of the initial state of the system plus a non-linear partial differential equation for the reaction rate.The key result is that the equilibrium reaction rate depends on a mixingrelated term, the kinetic reaction rate, which is actually controlling the availability of reactants in the system, and the distribution of (conservative and kinetic) linear combinations of aqueous species concentrations. From an operational standpoint, our expressions allow direct computation of equilibrium reaction rates without the need to calculate aqueous species concentrations. To illustrate the results, the dissolution of calcite in the presence of precipitating gypsum in a one-dimensional fully saturated system is analyzed. The example highlights the highly nonlinear and non monotonic response of the system to the controlling input parameters.

ilustraciones, fotografías a color, gráficas, tablas Dentro de los sistemas urbanos de drenaje sostenible – SUDS, la captación y aprovechamiento de aguas lluvias se ha convertido en una fuente alternativa para usos en donde no se requiere calidad de agua potable, como descarga de inodoros, orinales, riego de zonas verdes, aseo y lavado de áreas comunes. Estos sistemas son de amplio manejo en regiones con déficit tanto en calidad como en cantidad del recurso hídrico, en sectores donde se desea un ahorro en el consumo de agua potable y en edificios sostenibles o con objetivos de certificaciones internacionales. Debido a que el dimensionamiento no sigue unas directrices definidas, este trabajo plantea una metodología para el diseño de estos sistemas, que comprende: los datos de entrada, la ejecución del algoritmo de cálculo basado en el modelo YAS (Yield After Spillage) y la evaluación técnica y financiera. A través de dos casos de estudio en edificaciones ubicadas en Bogotá D.C., que cuentan con una amplia área de captación y consumos importantes de agua, se obtienen ahorros en el consumo de agua potable superior al 36% y 56% para cada uno, con un tiempo de retorno de la inversión de 12.48 años y 10.54 años respectivamente, definiendo la viabilidad para la implementación y concluyendo que son factibles al proveer grandes volúmenes y suplir consumos importantes de agua. (Texto tomado de la fuente). Rainwater harvesting is a Sustainable Urban Drainage System (SUDS) that has become an alternative source of water, for uses where potable quality is not required, such as flushing toilets, urinals, irrigation of green areas, cleaning and washing. These systems are widely used in regions with deficits in both quality and quantity of the water resource, in sectors where drinking water consumption saving are desired, as well as in sustainable buildings with international certifications objectives. Because the sizing does not follow defined guidelines, this work proposes a methodology for the design of these systems, which includes: the input data, the calculation algorithm development based on the YAS (Yield After Spillage) model and the technical and financial evaluation. Through two building study cases located in Bogotá DC, with a large catchment area and significant water consumption, savings in drinking water consumption of over 36% and 56% are obtained for each, with a return of investment (ROI) of 12.48 years and 10.54 years respectively, defining the feasibility for implementation and concluding that they are feasible by providing large volumes and supplying important water consumption. Incluye anexos Maestría Magíster en Ingeniería - Recursos Hidráulicos

Water resources are a determining factor in the economic and social development of communities, given the need that is generated around its use. Over the years, this use has generated pressure on water availability, which were solved by increasing supply, exploring and developing new water sources, and expanding the existing extractions. In Colombia, water concession is the right to the limited use of water, and it is granted to develop economic activity. This concession must be related to water availability to ensure the preservation and efficient water use. However, to allocation water resources efficiently, tools that help to make decisions by analyzing the hydrological regime (surface and groundwater) in areas with lacking reliable data on water availability in an economic context are required. In this context, the main goal of this research was to provide a methodological approximation that allows integrating hydrological, hydrogeological, and economic aspects in water allocation between different users, prioritizing human needs and ecosystem processes, to establish management strategies at a regional scale. In this research performed an integration of diverse hydrological, hydrogeological, and economical aspects, using the Middle Magdalena Valley (MMV) geological basin as a real scale laboratory. Because this area is a primary supply center for the Colombian population, and economic activities related to mining, agriculture, aquaculture, livestock, industrial, services, and O&G exploration and exploitation are developed in conjunction; hydric and economic behavior of the system was analyzed. This analysis was carried out in regards to water availability (surface and groundwater), and its allocation to different stakeholders. For it, three phases were defined: (1.) to characterize the hydrological system, (2.) to characterize the hydrogeological system, and (3.) its integration into an economic optimization model. In the first phase, the hydrologic system behavior was analyzed through a numeric tool, to characterize the water supply, the recharge zones were identified, and the hydrologic alterations affecting the water supply were evaluated. The hydrological modeling allowed to perform an exhaustive interaction analysis between the hydrologic cycle dynamic and the weather condition and land use. Then, it was made an analysis of uncertainty and sensitivity to evaluate the influence of the principal parameters associated with the model. From this analysis, it was validated a methodology allowing to: (i) select proper values for the model parameters, and (ii) evaluate how the model parameters variations influence a simulated response. In the second phase, the geological, hydrological and hydraulic characterization was integrated into a hydrogeological model to estimate the water volume and groundwater flow system description. The result of this phase allowed to consolidate a methodology to assertively restrict a highly parameterized inverse model with lack of information, estimate hydraulic parameters of aquifers and analyze the spatial and temporal variation presented by these parameters at the regional scale. Finally, in the third phase, the hydrological aspects (surface and groundwater) were integrated with an economic optimization framework. This allows them to determine water allocation and water resources quality management. The main objective of this phase was to analyze the water use profit in a regional flow model, integrating multiple water supplies (surface and groundwater) and multiple demands. Here, the allocation model was analyzed from a regional scale in order to consolidate typologies of use by economic sector, and determine management strategies at a regional level. The general results of this research allowed to identify problems and evaluate management strategies, in a tropical basin at the regional level. Additionally, it was concluded that the quantification of water supply affects the allocation process between different stakeholders and this process, in turn, is a function of water quality. As part of the final stage of this research, the water system behavior was analyzed through future scenarios. El recurso hídrico es un factor determinante en el desarrollo económico y social de las comunidades dada la amplia necesidad que se genera en torno a su aprovechamiento. El uso del agua ha generado a través de los años, presiones sobre su disponibilidad, las cuales usualmente se resolvían aumentando el suministro, explorando y desarrollando nuevas fuentes y, expandiendo las extracciones de las ya existentes. En Colombia, la concesión de agua es el derecho al uso limitado del agua, otorgado para desarrollar una actividad económica. Esta concesión debe estar relacionada con la disponibilidad de agua para garantizar la preservación y el uso eficiente del agua. Para asignar el recurso hídrico de manera eficiente se requieren herramientas que ayuden a tomar decisiones mediante el análisis del régimen hidrológico integral (aguas superficiales y subterráneas), lo cual es un problema complejo en áreas que carecen de datos hidrológicos confiables; y que permiten una evaluación sobre la disponibilidad en un contexto económico. En este orden de ideas, el objetivo principal de esta investigación fue proporcionar una aproximación metodológica que permita integrar aspectos hidrológicos, hidrogeológicos y económicos en la asignación de agua entre diferentes usuarios, priorizando las necesidades humanas y los procesos ecosistemicos, para establecer estrategias de gestión a escala regional. En consecuencia, esta investigación realizó una integración de aspectos hidrológicos, hidrogeológicos y económicos, utilizando la cuenca geológica del Valle Medio del Magdalena (MMV) como laboratorio a escala real. Debido a que esta zona es centro de abastecimiento para la pequeñas poblaciones rurales y se desarrollan de manera conjunta actividades económicas relacionadas con minería, agricultura, acuicultura, producción pecuaria, industria, generación hidroeléctrica, servicios de seguridad y emergencia y exploración y producción de hidrocarburos, se analizó el comportamiento hídrico y económico del sistema respecto a la disponibilidad de agua superficial y subterránea, y su asignación a los diferentes usuarios. Para ello, se definieron tres etapas: (1.) caracterización del sistema hidrológico, (2.) caracterización del sistema hidrogelógico, y (3.) su integración en un modelo de optimización económica. En la primera etapa, se analizó mediante herramientas numéricas el comportamiento hidrológico del sistema para caracterizar la oferta hídrica. En adición, se identificaron las zonas de recarga y se investigaron las alteraciones hidrológicas que afectan la cantidad de agua en el sistema. La modelación hidrológica permitió realizar una evaluación exhaustiva de la interacción entre la dinámica del ciclo hidrológico y las condiciones climáticas. Luego, se realizaron los análisis de sensibilidad e incertidumbre para evaluar la influencia de los principales parámetros asociados con el modelo y a partir de ello, se validó una metodológia que permite: (i) seleccionar valores apropiados para los parámetros de los modelos y (ii) evaluar en qué medida la variación de estos parámetros afecta una respuesta simulada. En la segunda etapa, se integraron la caracterización geológica, la hidrológica y la hidráulica en un modelo hidrogeológico para estimar el volumen de agua y la descripción del sistema de flujo subterráno. El resultado de esta etapa permitió consolidar una metodología para restringir asertivamente un modelo inverso altamente parametrizado con pocos o sesgados datos de campo, estimar parámetros hidráulicos de acuíferos y analizar la variación espacial y temporal que presentan estos parámetros a escala regional. Finalmente, en la tercera etapa, se integraron los aspectos hidrológicos superficiales y subterráneos desarrollados anteriormente, en un marco de optimización económica para determinar la asignación conjunta de agua y la gestión de la calidad del recurso hídrico. Este aparte tuvo como objetivo principal análizar el beneficio de uso del agua en un modelo de flujo regional que integra múltiples ofertas de agua y de demandas por parte de los usuarios. Aquí, se analizó el modelo de asignación desde una escala regional con el fin de consolidar tipologías de uso por sector económico y determinar estrategias de gestión a escala regional que permitan reducir los conflictos por uso y calidad, y fortalecer la gestión y administración del recurso hídrico en la zona. Los resultados generales de esta investigación permitieron identificar y evaluar de manera conjunta los problemas y estrategias de gestión, en una cuenca tropical con escases de información. Adicionalmente, se concluyó sobre cómo la cuantificación de la oferta hídirica afecta el proceso de asignación entre diferentes usuarios y este proceso a su vez, esta en función de la calidad. Como parte de la etapa final de esta investigación, se analizó a través de escenarios futuros el comportamiento del sitema hídrico. MinCiencias, Universidad Nacional de Colombia Research Line in Water and Environment Engineering Doctorado

This final master's project presents the optical sensors based on fiber Bragg gratings (FBG) as a possible solution for the measurement of spatiotemporal variations of temperature in hydrological applications. Specifically, it presents a prototype for measuring water temperature variations due to the interaction between the surface and the subsoil in a mountain stream using fiber Bragg gratings. In this document, four arrays of FBG sensor pairs were designed. Their temperature responses were characterized obtaining curves with coefficients of determination above 0.9998 for each of the FBG sensors. Moreover, these FBG sensors were tested under a water column level up to 55 cm. Measurements validated that the designed sensors are insensitive to variations in the level of water up to the limits evaluated in the test. Finally, the prototype measurement system was implemented at 3 different points of interest in a stream located in the mountains of Puente de Boyacá, Boyacá, Colombia. Simultaneous temperature measurements were made for a period of 24 hours. Temperature gradients for each area of interest were obtained as well as the spatiotemporal gradient of water temperature in its interaction between surface and subsoil. The highest gradient with a maximum temperature between surface water and groundwater of 1.4°C was obtained for the arrangement of sensors located in the first position. The maximum temperature gradient for sensor arrays located in the second and third positions was 0.6°C and 0.45°C respectively. En este trabajo final de maestría se presenta los sensores ópticos basados en redes de difracción de Bragg FBG (Fiber Bragg Gratings) como una posible solución para la medición de variaciones espacio - temporales de temperatura en aplicaciones hidrológicas. Puntualmente se presenta un prototipo de medición de variaciones de temperatura del agua debidas a la interacción entre la superficie y el subsuelo en un arroyo de montaña, basado en redes de difracción de Bragg. En este trabajo, se realizó el diseño de cuatro arreglos de pares de sensores FBG, para los cuales se determinó la respuesta en temperatura obteniendo curvas de caracterización con coeficientes de determinación por encima de 0.9998 para cada uno de los sensores FBG. Adicionalmente, los sensores fueron sometidos a pruebas de cambio de nivel de la columna de agua hasta 55 cm. Las mediciones validaron que los sensores diseñados son insensibles a variaciones de presión debidas al nivel de agua hasta los límites evaluados en la prueba. Finalmente, en un arroyo ubicado en las montañas de Puente de Boyacá, Boyacá, Colombia, se implementó el sistema prototipo de medición en 3 distintos puntos de interés y se realizaron mediciones simultáneas de temperatura por un periodo de 24 horas. Los resultados obtenidos, permitieron obtener gradientes de temperatura para cada zona de interés, y el gradiente espacio – temporal de temperatura del agua en su interacción entre superficie y subsuelo. Se obtuvo el mayor gradiente de temperatura entre el agua superficial y el agua subterránea para el arreglo de sensores ubicado en la primera posición, con un valor de 1.4°C. Por su parte, el máximo gradiente de temperatura para los arreglos de sensores ubicados en la segunda y tercera posición fue de 0.6°C y 0.45°C respectivamente. Magíster en Ingeniería – Ingeniería Electrónica . Línea de investigación: Optoelectrónica y comunicaciones ópticas . Maestría

En esta investigación se diseñó un modelo de Autómatas Celulares (AC) que permite simular procesos de transporte de solutos en medios porosos. Los AC son un modelo matemático discreto en espacio y tiempo, en el que se divide el área de estudio en celdas que adquieren valores en cada paso de tiempo y evolucionan a partir de unas reglas de transición previamente definidas. Para establecer las reglas de transición, se entrenó el modelo AC con resultados de ensayos de trazadores realizados en dos modelos físicos, conocidos como cajas de arena. El primero, representaba un medio homogéneo y la segundo uno estratificado. Las cajas fueron llenadas con arenas de diferentes conductividades hidráulicas (330.6 m/d y 165.5 m/d en el estratificado y 220.4 m/d en el homogéneo). Además se realizó una modelación numérica con un enfoque euleriano, que simuló el transporte de solutos para las condiciones representadas en los modelos físicos, permitiendo comparar resultados. Se concluyó que el modelo de AC no presenta problemas de inestabilidad numérica, reduce los tiempos de cómputo con respecto al modelo euleriano, y permite visualizar adecuadamente el comportamiento hidrodinámico de la mancha del soluto transportado. Sin embargo, requiere un amplio número configuraciones en el montaje del modelo físico para definir adecuadamente las reglas de transición, repercutiendo en elevados costos y tiempos de calibración. Además al comparar el comportamiento hidrodinámico de la mancha del soluto simulado en el modelo AC y la observada en el modelo físico, cotejando la trayectoria descrita por los centroides de ambas manchas, se concluye que el comportamiento de ambas es muy similar al presentar un error porcentual absoluto medio de 3.1% y un RMSE de 9. 7 pixeles entre ambos modelos, es decir un error insignificante en comparación con el tamaño de la imagen generada por el modelo AC (801 x 578 pixeles). Además, a partir de un análisis del segundo momento espacial de la concentración, se obtuvo que la relación entre la dispersión longitudinal y la transversal de la mancha del modelo AC es de 28.2% mientras que dicha relación para el modelo físico fue de 22%, por lo que se concluyó que la esbeltez de ambas es similar. Abstract: In this investigation, a cellular automata model CA was designed, it allows to simulate the transport of solute in porous media. CA are a discrete mathematical model in time and space, in which study area is divided in cells which take value in each time step and they evolve from sorne previously defined transition rules. To establish those transition rules, the CA model was trained from the results of the tracer tests made in two physical models, known as sand boxes. The first one represented a homogeneous medium and the second represented a stratified one. The boxes were packed with a fine sand (low hydraulic conductivity K= 165,5 m/d) anda coarse sand (high hydraulic conductivity, K= 330,6 m/d). A numerical simulation by the eulerian approach was made, describing the transport of solute for the conditions represented on the physical models, allowing a result comparison. lt concludes that the CA model did not present any numerical stability problem, it reduces computation times regarding the eulerian model, and it allows to visualize the hydrodynamic behavior of the plume of the transported solute. Nevertheless, the CA model require a wide number of configurations in the physical model assembly to define the transition rules, impacting in high cost and calibration time. Furthermore, comparing the hydrodynamic behavior of the plume of the transported solute into the CA model and the showed in the physical one, and collating the path described by their plume centroids, it concludes that both plume have a very similar behavior showing an absolute perceptual error of 3,1 and a RMSE of 9, 7 pixels between them, meaning there is an insignificant error in comparison with the size ofthe CA model image (801 x 578 pixels). Additionally, from a second spatial moment analysis, it was obtained that the relationship between the longitudinal and tranversal dispersion of the plume of the CA model is 28,2 % while the same relationship for the physical model was 22%, concluding that both have a similar slenderness. Maestría

La cuantificación de los impactos en el ciclo hidrológico de terrenos montañosos causados por la construcción de obras subterráneas (túneles), presenta como principal fuente de incertidumbre el desconocimiento de las propiedades hidrodinámicas de los medios naturales. Una caracterización inadecuada de éstos conlleva a generar modelos conceptuales y numéricos no acordes con las características locales o regionales del medio y, en consecuencia, una estimación errónea del grado de afectación de los recursos hídricos durante la construcción. Con el uso de técnicas de modelación analítica y numérica, el hidrogeólogo puede realizar estimaciones de los caudales de infiltración y descensos del nivel piezométrico durante la excavación de un túnel. Sin embargo, la incertidumbre de los modelos estará limitada por la calidad de información y las suposiciones que se empleen. Ésta investigación (subdividida en tres partes) demostró que al tener una configuración e información geológica, hidráulica e hidrogeológica adecuada, los resultados pueden contribuir a evaluar el grado de afectación de la obra con varios escenarios de simulación. Antes de crear un modelo numérico se debe definir el modelo conceptual y realizar una caracterización hidráulica que permita cuantificar los parámetros hidrodinámicos del modelo. Sin lo anterior, los resultados no serán representativos con la realidad del problema. A partir de esta premisa se realizó una caracterización hidráulica (Packer Test, Slug Test, Pulso, bombeo a caudal constante) in-situ de 19 pruebas hidráulicas al interior de un túnel profundo (Túnel de La Línea – Colombia) encontrando que el diseño del pozo, el grado de fracturamiento de la roca y la presión hidráulica de los sondeos condiciona el tipo de ensayo a emplear. Una vez interpretadas las pruebas la variación de la conductividad hidráulica (K) está dada en seis ordenes de magnitud (10-5 – 10-10 m/s) clasificando el macizo en un medio de baja a moderada permeabilidad. En segunda medida, el modelador decide si emplea modelos analíticos que le permitan calcular la variación de los caudales con la excavación de un túnel profundo. En la literatura existen formulaciones matemáticas en estado estacionario que no son aplicables pues consideran el medio como un corte transversal con carga hidráulica constante. Una solución a esto es emplear expresiones en estado transitorio dependientes de los avances de excavación y propiedades hidrodinámicas del medio. Su utilización está limitada a las suposiciones empleadas por detrás. En general, el uso de estás ecuaciones se realiza de forma directa al predecir un caudal y son pocos los casos que se emplea la modelación inversa para calibrar los flujos observados en portales. Como solución a esto se desarrolló una herramienta de modelación analítica (TunWaterFlow V 1.0) para predecir y calibrar de caudales de infiltración ante la excavación de túneles profundos. Ésta herramienta basa su formulación en la expresión analítica de Perrochet y Dematteis [2007] para medios heterogéneos y permite realizar tanto modelación directa (conociendo los parámetros hidrodinámicos) como modelación inversa (conocimiento los caudales de infiltración) en transitorio, conociendo las tasas de excavación y configuración geológica del medio en capas verticales. Con su aplicación en tres casos de estudio (Túnel Piloto de La Línea – Colombia, Túnel exploratorio de Modane – Francia/Italia y Túneles de Pajares – España) en los que se presentaron flujos de infiltración superiores a 150 L/s se comprobó que la escala de los parámetros y considerar una carga hidráulica constante condiciona el grado de incertidumbre de predicción y calibración de los flujos durante la simulación. Se realizó un análisis de sensibilidad paramétrica al modelo, identificando que la conductividad hidráulica y los descensos son los parámetros más sensibles en la formulación y que a través de franjas de confianza, el modelador puede brindar una respuesta a la falta de información. Como última etapa, está investigación concluyó que las formulaciones analíticas en transitorio, no pueden simular los descensos progresivos y dependientes de los caudales de infiltración durante la excavación de uno o varios túneles. Lo anterior, puede ser resuelto empleando modelos numéricos que permitan definir condiciones de contorno, iniciales y mallas de elementos finitos estructuradas o no estructuradas, acordes con la geometría del túnel y complejidad geológica. Al realizar múltiples configuraciones de modelos bidimensionales (transversales y longitudinales) del Túnel de La Línea y el Túnel de Modane, y empleando un software comercial Feflow V6.2®, se logró comprobar que la malla empleada, la variación de las propiedades hidráulicas, los avances de excavación y las condiciones de contorno asignadas de tipo Dirichlet y dependientes del tiempo de simulación, condicionan el comportamiento de los descensos de la carga hidráulica y los caudales infiltrados para uno o múltiples túneles al tener aportes y afectación mayor en las zonas más permeables. Abstract. The quantification of impacts on the hydrological cycle in mountainous terrain, caused by the construction of underground works (tunnels), presents as the main source of uncertainty, lack of knowledge of the hydrodynamic properties of natural media. An inadequate characterization of these, leads to generate conceptual and numerical models no consistent with local or regional characteristics of the medium and therefore a misjudgment of water resources involvements degree during construction With the use of analytical techniques and numerical modeling the Hydrogeologist can make estimations of the infiltrations flows and drawdowns of groundwater level during the excavation of a tunnel. However, the uncertainty of the models will be limited by the quality of information and assumptions used. This research (subdivided into three parts) showed that having a configuration and geological, hydrogeological and hydraulic adequate information, the results can help assess the involvement degree of the work with several simulation scenarios. Before creating a numerical model, the conceptual model must be defined with a hydraulic characterization that allows to quantify the hydrodynamic model parameters must be performed. Without this, the results will not representative with the reality of the problem. From this premise a hydraulic characterization (Packer Test, Slug Test, Pulse, pumping at a constant flow) in-situ of 19 hydraulic tests inside a deep tunnel (La Línea Tunnel - Colombia) was performed finding that the design of the well, the degree of fracturing of the rock and the hydraulic pressure of the boring determines the type of test to be used. Once the tests were interpreted the variation of the hydraulic conductivity (K) was given in six orders of magnitude (10-5 – 10-10 m / s) classifying the massif in a medium of low to moderate permeability. In a second step, the modeler decides if he uses analytical models which allow him to calculate the variation of the flows with an excavation of a deep tunnel. In the literature there are steady state solutions which are not applicable because they consider the environment as a cross section with constant hydraulic load. A solution to this is to employ solutions in transit states which dependent on the progress of excavation and hydrodynamic properties of the geological media. Its use is limited to the assumptions used behind. In general, the use of these equations is performed directly by predicting flow and there are few cases in which the inverse modeling to calibrate flows observed in portals is used. As a solution to this, an analytical modeling tool (TunWaterFlow V 1.0) was developed to make the prediction and calibration of the infiltrations flows caused by the digging of deep tunnels. This tool bases its formulation in the analytical expression of Perrochet y Dematteis [2007] for heterogeneous media and allows both direct modeling (knowing the hydrodynamic parameters) as inverse modeling (knowledge flows infiltration) transient, knowing excavation rates and geological configuration in vertical layers. With its use in three study cases (“La Línea Pilot Tunnel” - Colombia, “Modane” exploratory tunnel - France / Italy and Pajares Tunnels - Spain) which showed flows with greater infiltration than 150 L / s was proved that the scale of the parameters and consider a constant hydraulic load, determines the uncertainty degree of prediction and calibration of flows during the simulation. Parametric sensitivity analysis was performed to the model, identifying that the hydraulic conductivity and the drawdowns are the most sensitive parameters in the formulation and that through confidence boundary’s the modeler can provide an answer to the lack of information. As a last step, this research concluded that transient analytical formulations cannot simulate the progressive’s drawdowns that are dependent of the infiltration flow during the excavation. This can be solved by using numerical models to define boundary conditions and initials, a finite element mesh that is structured or unstructured, in accordance with the geometry of the tunnel and geological complexity. When performing multiple configurations of two-dimensional models (transverse and longitudinal) of the “La Línea tunnel” and “Modane tunel”, and using the commercial software (Feflow V6.2®), it was possible to verify that the mesh used, the variation of hydraulic properties, the excavations advances and boundary conditions assigned (Dirichlet) and time-dependent simulation, determine the behavior of the hydraulic load decreases and flow rates reported for one or multiple tunnels, having greater involvement and contributions in the more permeable zones. Résumé. La principale source d'incertitude, lors de la quantification des impacts sur le cycle hydrologique en terrain montagneux, causée par la construction d'ouvrages souterrains (tunnels) est la méconnaissance des propriétés hydrodynamiques des milieux naturels. Une caractérisation inadéquate de celles-ci conduit à générer des modèles conceptuels et numériques incohérentes avec les caractéristiques locales ou régionales du milieu. L’estimation du degré d'affectation des ressources hydriques pendant la construction sera, par conséquent, erronée. Avec l’utilisation de techniques analytiques et numériques, l’hydrogéologue peut estimer les flux infiltrés et le rabattement du niveau piézométrique avant l’excavation du tunnel. Cependant, l’incertitude des modèles sera conditionnée par la qualité des données disponibles et les suppositions utilisées. Cette recherche (subdivisé en trois parties) a montré qu'en ayant une configuration et une information géologique, hydraulique et hydrogéologique adéquate, les résultats peuvent aider à évaluer le degré d'affectation de la construction avec plusieurs scénarios de simulation. Avant de commencer et de réaliser un modèle numérique, il est nécessaire de définir le modèle conceptuel et d'effectuer une caractérisation hydraulique pour quantifier les paramètres hydrodynamiques du modèle. Sans cela, les résultats ne sont pas représentatifs de la réalité du problème. A partir de cette prémisse, une caractérisation hydraulique in situ a été réalisée. Dix-neuf tests (Packer test, Slug test, Pulse, Pompage à débit constant) ont été réalisés à l'intérieur d'un tunnel profond (Tunnel de La Línea - Colombie). Il a été constaté que le design du puits, le degré de fracturation des roches et la pression hydraulique des sondages déterminent le type de test à utiliser. Une fois interprétées, il a été trouvé que la variation de la conductivité hydraulique (K) est de six ordres de magnitude (10-5 – 10-10 m / s) en classifiant le massif comme un milieu de perméabilité faible à modéré. Dans un deuxième temps, des modèles analytiques pour calculer la variation des flux dans un tunnel profond ont été utilisés. Il existe dans la littérature, des solutions d’état stationnaire qui ne sont pas applicables, car elles considèrent le milieu hétérogène comme une section transversale avec une charge hydraulique constante. Une solution est d’utiliser des formulations d’état transitoire qui dépendent de l'avancement des travaux d'excavation et des propriétés hydrodynamiques du milieu. Son utilisation est limitée aux hypothèses qui sont formulées. En général, ces équations sont utilisées pour prédire le flux infiltré et rarement pour réalisation une modélisation inverse et calibrer les écoulements observés aux portails. Un outil de modélisation analytique (TunWaterFlow V 1.0) a été utilisé pour la prédiction et le calibrage des débits infiltrés qui sont provoquées par le percement du tunnel profond. Cet outil base sa formulation dans l'expression analytique de Perrochet y Dematteis [2007] pour les milieux hétérogènes. Il permet à la fois faire la modélisation directe (à partir des paramètres hydrodynamiques) et inverse (à partir des flux infiltrés) transitoire, en connaissant la vitesse de progression du forage et la configuration géologique qui est simplifie en multicouches subvertical. Avec son utilisation dans trois études de cas (Tunnel Pilot de La Línea – Colombie, Tunnel exploratoire de Modane – France / Italie et Tunnels de Pajares – Espagne) qui ont reportés des flux infiltrés supérieure à 150 L / s, il a été constaté que l'échelle des paramètres et une charge hydraulique constante, déterminent le degré d'incertitude de la prédiction et le calibrage des débits au cours de la simulation. Par ailleurs, une analyse de sensibilité paramétrique a été réalisée pour le modèle où la conductivité hydraulique et les rabattements sont les paramètres les plus sensibles de la formulation et que grâce à des bandes de confiance, le modélisateur peut fournir une réponse à l'absence d'informations. La recherche a finalement conclu que les formulations analytiques transitoires ne peuvent pas simuler les diminutions progressives des rabattements qui dépendent du flux infiltré pendant l'excavation. Ceci peut être résolu en utilisant des modèles numériques qui définissent les conditions de contour initiales et grâce aux mailles d’éléments finis ou non permettent de modéliser la géométrie du tunnel et la complexité géologique du milieu. De multiples configurations de modèles à deux dimensions (transversales et longitudinales) du Tunnel de La Línea et du Tunnel de Modane ont été exécutées en utilisant le logiciel commercial Feflow V6.2®. Les modèles ont permis de vérifier que la maille utilisée, la variation de las propriétés hydrauliques, le progrès d’excavation et les conditions de contour de type Dirichlet qui dépendent du temps de simulation. Il en conditionnant le comportement des rabattements de la charge hydraulique et les débits infiltrés par un ou multiples tunnels dans les zones plus perméables. Maestría

La zona hiporreica (HZ) es una zona donde se dan importantes procesos de intercambio de solutos y transformación de nutrientes. Su existencia ha sido ampliamente documentada y estudiada tanto en ríos de montaña, como en ríos de planicie. Sin embargo, en Colombia no se ha realizado un estudio de caracterización de la HZ en una corriente natural. En esta investigación se implementaron diferentes técnicas de identificación y cuantificación de la interacción SW-GW (Surface Water - Groundwater) en un tramo de estudio de la corriente de montaña Quebrada Aguas Claras, ubicada en el municipio de La Calera (Colombia), la cual se caracteriza por presentar una alta sinuosidad, lo que sugiere un mecanismo de intercambio por flujo entre las bancas. A partir de la correlación de las diferentes técnicas se construyó el modelo conceptual de la interacción, por medio del que se identificaron y se definieron las zonas de mayor intercambio. Para la caracterización de las HZ identificadas, se implementaron los modelos de transporte de solutos ADE (Ecuaciones de Advección Dispersión), TS (modelos de almacenamiento temporal) y OTIS (transporte con entrada de flujo y almacenamiento en una dimensión), los últimos dos incluyen el intercambio con las zonas sub-superficiales de almacenamiento temporal. Los resultados obtenidos de las técnicas implementadas permitieron delimitar dos zonas donde se evidencia la existencia de intercambio hiporreico. Sin embargo, los modelos de transporte de solutos TS y OTIS no representaron adecuadamente las curvas de llegada de los ensayos con trazadores. Abstract. The hyporheic zone (HZ) is a zone where important processes of solute exchange and nutrient transformation take place. Its existence has been broadly documented and studied both in high mountain and in plain rivers. However, in Colombia there are no studies that characterize the HZ in a natural stream. This research uses different techniques to identify and quantify SW-GW (Surface Water - Groundwater) interactions in a mountain stream, located in La Calera, municipality of Colombia, Quebrada Aguas Claras, distinguished for its high sinuosity, which suggests a river bank exchange mechanism. Based on the different techniques results correlation, it was built a conceptual model of the interaction. This model allowed to identify and define the zones where most of the exchange occurs. For the characterization of the identified HZ, the solute transport model ADE (Advection Dispersion Equation), TS (TransientStorage) and OTIS (transport with inflow and unidimensional storage) were implemented. The last two models include exchange with temporal storage sub-surface zones. The results obtained from the used techniques allow to mark the zones where there is hyporheic exchange. Nevertheless, the solute transport models, TS and OTIS, were unable to represent accurately the breakthrough curves of the tracer experiments. Maestría

Se propuso un modelo numérico hidrodinámico para estudiar la disipación de las fluctuaciones de velocidad en la interacción agua/sedimento (flujo hiporreico) basado en un método penalizado de multidomino espectral (SMPM, por sus siglas en inglés). El modelo se basó en las ecuaciones de Navier-Stokes asumiendo flujo unidimensional, incompresible e hidrostático, dando como resultado una ecuación tipo Burgers. La discretización espacial para la ecuación de gobierno es realizada con SMPM que consiste en la colocación de multidominios basado en subdominios discontinuos conectados por un término de penalidad. La discretización temporal se maneja con una técnica de alto orden de pasos de tiempo fraccionados. Un filtro espectral es usado para estabilizar cuando oscilaciones indeseadas aparecen en la solución. La condición de contorno en la interfaz agua/sedimento se asumió como un pulso de velocidad sinusoidal. Se diseñan dos escenarios con 3 casos, cada uno a diferentes velocidades de escalas U y viscosidades cinemáticas aparentes υ. El primer escenario (E1) contiene que la velocidad inicial en el sedimento es igual a 1 cm/s. El segundo escenario (E2) cambia la velocidad inicial en el sedimento por 0 cm/s. En ambos escenarios la velocidad inicial es igual a la velocidad promedio del pulso. La velocidad de escala U varía en 0.1 cm/s, 1 cm/s y 10 cm/s para los dos escenarios. La viscosidad cinemática aparente es modificada para cada caso de estudio desde 0.001 〖cm〗^2⁄s hasta 1 〖cm〗^2⁄s aumentando el orden decimal 3 veces. Finalmente se presenta 24 configuraciones, de las cuales 12 identifican la profundidad donde se acepta la ley de Darcy (todos en E1), 8 son inconsistentes a la física del flujo en medio poroso y 4 tienen una atenuación por encima del 95%. La presencia de procesos turbulentos es evaluada calculando la viscosidad turbulenta υ_T mediante la técnica del coeficiente de autocorrelación para las fluctuaciones de velocidad. A medida que los valores de υ_T fueran menores a la viscosidad molecular υ_m se rechaza al no tener sentido físico. Los resultados arrojaron que existe turbulencia en los casos en que la velocidad de escala es de U=10 cm/s. Abstract. A hydrodynamic model, based on a spectral multidomain penalty method (SMPM), is proposed to study the dissipation of the velocity fluctuations at the hyporheic zone. The model is based on the one dimensional Navier Stokes equations, assuming incompressibility and a hydrostatic approximation. The spatial discretization of the governing equations is done via the SMPM that is a multidomain collocation approach based on discontinuous non-overlapping subdomains that are connected by a penalty term that ensures stability of the solution by imposing weak continuity at the subdomain interfaces. The temporal discretization of the equations is handled with a high-order fractional time step technique. A spectral filter is used to stabilize the solution when spurious oscillations appear. A sinusoidal pulse is imposed at the water/sediment interface as a boundary condition. Two scenarios with tree cases are designed, each at different scales velocities U and apparent kinematic viscosities. The first stage (E1) has initial velocity in the sediment equal to 1 cm/s. The second stage (E2) changes the initial velocity in sediment for 0 cm/s. In both stages the initial velocity is equal to the average velocity of the pulse. The scale velocity U is altered by 0.1 cm/s, 1cm/s and 10 cm/s for all the stages. The apparent kinematic viscosity is modified for each case from 0.001 cm2/s to 1 cm/s increasing the decimal order 3 times. Finally, 24 configuration are presented, 12 identify the depth where Darcy’s law are accepted (all on E1), 8 are inconsistent with the physical of flow through porous and 4 have an attenuation above 95%. Maestría

La intrusión salina es un problema agravado por la explotación de acuíferos costeros. La diferencia de densidades entre el agua dulce y salada causa la entrada de esta última al acuífero, formando una cuña salina. Los propósitos de este trabajo fueron; evaluar el desempeño de diferentes barreras hidráulicas (ubicación y tasas de inyección) e incluir los efectos de la estratificación del medio en este problema. Dos sandboxes, de medios homogéneo y estratificado, ambos bajo condiciones de confinamiento, fueron construidos. La litología simplificada del acuífero de Morrosquillo (Colombia) fue implementada a través de los contrastes de permeabilidad y espesor de las capas del medio estratificado. Para esto, se utilizaron tres tipos arena de diferentes conductividades hidráulicas (225 md-1, 13 md-1 y 6 md-1). Ambos montajes fueron utilizados para evaluar el desempeño de las barreras hidráulicas. Posteriormente, una selección de barreras hidráulicas se simuló numéricamente a través del software FEFLOW 6.2. Tanto en el medio homogéneo como en el estratificado, la mayor reducción de la intrusión salina se encontró para inyecciones cercanas al pie de la cuña, estimadas en 46% y 79% para los medios homogéneo y estratificado respectivamente y con tasas de inyección equivalentes a 1.7 y 0.5 veces la recarga del acuífero. En el medio homogéneo, inyecciones realizadas en el 50% y 30% de la posición inicial de la cuña no causaron efectos significativos sobre la misma. La estratificación afectó las líneas de flujo, modificando la formación de la cuña y el desempeño de las barreras hidráulicas, por este motivo, debe ser considerada al analizar el problema de intrusión salina. Asimismo, para mejorar el análisis y diseño de barreras hidráulicas en zonas costeras, es necesario conocer el desarrollo inicial de la cuña. Abstract: Saline intrusion in coastal aquifers is a problem exacerbated by water extractions driven to support population growth. Due to differences in saline and fresh water densities, coastal saltwater tends to enter landward against freshwater flow, developing a wedge at the bottom of the aquifer. The aims of this work were to evaluate the performance of different hydraulic barriers due to varying freshwater injection rates and locations and to assess the effects of aquifer stratification in the wedge development. Two sandboxes were built to simulate confined aquifer conditions including unstratified (homogenous) and stratified configurations. For this latter, the simplified lithology of the Morrosquillo, Colombia aquifer was represented through layer permeability contrasts and layer thickness ratios. For this purpose, three different porous media with contrasting hydraulic conductivities of 225 m d-1, 13 m d-1, and 6 m d-1 were used. Both laboratory setups were employed to assess the effectiveness of hydraulic barriers. Also, physically-based numerical models were developed using FEFLOW 6.2 to simulate selected hydraulic barriers. In both, unstratified and stratified media, the most effective hydraulic barrier was found for freshwater injections near the wedge toe. Reductions in saline intrusion were estimated in 46% and 79% for the experimental configurations (unstratified and stratified), for injection rates of 1.7, and 0.5 times the aquifer recharge rate, respectively. For the unstratified experiments, injections near the 50% and 30% of the initial bottom wedge length did not result in significant effects to saltwater encroachment. On the other hand, stratification affected the wedge development due to changes in the aquifer streamlines, impacting the effectiveness of the hydraulic barrier. Consideration of aquifer stratification is important when performing analysis of hydraulic barriers to control saltwater intrusion in coastal areas. Also, knowledge of the saline wedge development is necessary to improve the analysis and design of hydraulic barriers in coastal areas Maestría

La construcción de túneles es una de las bases para el desarrollo de una región, tanto a nivel económico como político. De allí que muchos de los gobiernos de turno propendan por un crecimiento en la construcción de túneles, puesto que involucran transporte de servicios, de personas y alimentos, elementos que sostienen la dinámica de las comunidades. Ante este tipo de obras, la afectación sobre el medio ambiente es inevitable, para este caso los hidrosistemas (acuíferos, ríos, quebradas y ciclos del agua) limitan su presencia en razón al túnel, a causa que este atraviesa los diferentes acuíferos y estratos, modificando los patrones normales de flujo por el efecto dren que este produce. A partir de allí se identifican las diferentes variables que influyen en la preservación del recurso hídrico y que se distinguen en las diferentes etapas de la construcción de un túnel (concepción, construcción y operación). En referencia a lo anterior, se hace uso de los conceptos de la prospectiva, la cual promulga el conocimiento con base en la experiencia como herramienta primordial para elaborar marcos de decisión, para este caso, encuestas a personas con conocimientos de túneles, ya sea a nivel de construcción, de impacto ambiental y en diversas áreas en general. Con estos resultados, se caracterizan las diferentes variables y se establece un intervalo de variación determinado para cada una de ellas y de esa forma establecer lineamientos que puedan detectar variaciones en características de la zona en cuestión. Abstract. The construction of tunnels is a base for the development of a region, ever so to economic as political level.Many of the governments tend for a growth in the construction of tunnels, because they involve transportation of services, of persons and food, elements that support the dynamics of the communities. This type of works impact the environment, for this case the hidrosistemas (aquiferous, rivers and hydrological cycles) limit their presence in reason t o the tunnel, to reason that those crosses the different aquiferous, modifying the normal flow of water because of the effect dren that produces. In relation with this situation are identified different areas that involve variables that influence the preservation of the water resource and that they define in the different stages of the construction of a tunnel (conception, construct ion, exploitation and maintenance). So,we can use the concepts of the prospective, which promulgates the knowledge on the basis of the experience as basic tool to elaborate frames of decision, for this case, surveys for persons with knowledge of tunnels: construction, environmental impact and in diverse areas in general . With these results, the different variables are characterized and established a range of variation determined for each of them, and establish guide lines that could detect variations in characteristics of the zone of study to reason of the tunnel. Maestría

Debido a fallas en los equipos subterráneos de una estación de servicio de la ciudad de Bogotá se ha detectado la presencia de contaminación por hidrocarburos en el suelo y agua subterránea. Ya que el sitio se localiza en una zona residencial existe la posibilidad de que los habitantes lleguen a tener alteraciones en la salud. En consecuencia se llevó a cabo un análisis de riesgos, para definir si es necesaria la implementación de medidas remediales en el subsuelo. Con miras a lograr el objetivo, se realizó la caracterización hidrogeológica del subsuelo de la estación utilizando la recolección de información disponible, pruebas de baldeo, análisis de niveles de agua y concentraciones de compuestos de interés de los pozos de monitoreo. Estos datos sirvieron como variables de entrada al software RBCA Tool Kit para el cálculo de metas de remediación. Como resultado de la modelación, se encontró que las concentraciones obtenidas en muestras de suelo y agua no sobrepasan las metas calculadas específicamente para el sitio, por lo que no es necesario tomar acciones remediales pero si establecer un programa de monitoreo que garantice que las condiciones actuales no cambien. Abstract. An impact in soil and groundwater was detected in a service station in Bogota (Colombia). This place is located in a residential site, and in consequence a risk assessment was conducted with the scope to define possible remediation activities. This project was based on a hydrogeological characterization which takes into account analysis of slug/bail tests, water level gages, and soil and groundwater quality samples. All these results were analyzed geostatistically and implemented in RBCA Tool Kit software ©, with the objective to compute remediation goals. Compounds of interest were found in the site with concentrations values below of remediation goals. As conclusion, it is not necessary to conduct an active remediation; however it is suitable to define a monitoring program, which ensures the actual status in the future. Maestría

La Laguna de Sonso al Sur Occidente de Colombia es uno de los últimos ecosistemas de humedal del sistema hidrológico del Río Cauca. Este ecosistéma se encuentra en una región en donde hay una alta presión por recurso hídrico relacionada a la agroindustria de la caña de azúcar. Las condiciones naturales de su hidroperiodo han sido alteradas dramáticamente y su posible dependencia del agua subterránea aún no ha sido confirmada. Esta investigación implementó tres enfoques de cuantificación de la descarga desde el acuífero al humedal. El primer enfoque consideró el cálculo de un balance hídrico cuyo resultado arrojó un aporte alrededor de ± 0.11 m3/seg. El segundo enfoque estimó los aportes de agua subterránea por medio del análisis de flujo neto y con ello se obtuvo un aporte de 0.7 m3/seg. El tercer enfoque consideró la implementación del modelo Visual ModFlow y se encontró que los aportes desde el acuífero son del orden de 0.65 m3/seg. A través del modelo Visual ModFlow © se pudo estimar que el aporte de flujos locales representa un 48% del total de la descarga hacia el humedal, el 52% restante de agua subterránea proviene de flujos intermedios o regionales. El modelo calibrado (Visual ModFlow) permitió realizar un ejercicio predictivo que muestra que con una baja recarga por déficit de lluvia y con 24 pozos de menos de 200 metros de profundidad, bombeando a una tasa de 69 L/s, durante 30 días consecutivos y a un régimen de operación de 10 horas/día; pueden llegar a propiciar la declinación del ambiente de flujo hacia el humedal y reducir en un 60% los aportes de agua subterránea, es decir el impacto directo recae sobre los flujos locales. Abstract. Sonso Lagoon at Southwest of Colombia is one of the last wetland ecosystems of the Cauca River hydrological system. This ecosystem is in a region where there is a high pressure water resource related to sugarcane pumping irrigation. The natural conditions of their hydroperiod have been altered dramatically and its possible dependence on groundwater has not yet been confirmed. This research implemented three approaches to evaluate the discharge from the aquifer to the wetland. The first approach considered the calculation of a water balance resulting threw contribute about ± 0.11 m3/sec. The second approach considered the contributions of groundwater through the analysis of net flow and with this was obtained a contribution of 0.7 m3/sec. The third approach considered the implementation of the Visual MODFLOW model and found that the contributions from the aquifer are about 0.65 m3/sec. Using Visual MODFLOW Model © was possible to estimate that the contribution of local flows represents 48% of the total discharge to the wetland, the remaining 52% comes from groundwater intermediate or regional flow. The calibrated model (Visual MODFLOW) allowed a predictive exercise that shows that with a low recharge by rainfall deficit and 24 wells less than 200 feet deep, pumping at a rate of 69 L / s for 30 consecutive days with a system operating 10 hours / day; can be significant in bringing the decline of the environment flow to the wetland and reduce by 60% the contribution of groundwater, ie the direct impact will be on local flows. Maestría

Se construyó un modelo experimental de laboratorio, para obtener información de la evolución de las especies químicas involucradas en un sistema de disolución de yeso y precipitación de calcita a través de un medio poroso estratificado, lo que permitió la evaluación del modelo de advección-dispersión en reacción (ADRE) desarrollado por Sanchez-Vila, et al., [2010]. La evaluación de la capacidad de predicción del modelo se realizó con los datos generados a partir del modelo experimental, para una reacción de doble desplazamiento calcita (CaCO3) – yeso (CaSO4·2H2O), en donde ocurre una disolución del mineral yeso y una precipitación del mineral calcita, ante la presencia de una inyección de 0.1M de carbonato de calcio (Na2CO3) durante un periodo de tiempo. La información experimental suministrada por el modelo físico, permitió identificar la capacidad de prediccion del modelo teórico en la representación de la evolución de las especies químicas que interactúan en el sistema, bajo condiciones específicas. Abstract. An experimental laboratory model was constructed to obtain information evolution of the chemical species involved in a system for dissolution of gypsum and calcite precipitation through a stratified porous medium, which allowed the assessment model advection-dispersion in reaction (THER) developed by Sanchez-Vila, et al., [2010]. Assessing the predictive power of the model was performed with data generated from the experimental model for a double displacement reaction calcite (CaCO3) - gypsum (CaSO4 · 2H2O), a solution where the mineral gypsum occurs ore and calcite precipitation in the presence of an injection of 0.1M calcium carbonate (Na2CO3) for a period of time Maestría

Esta investigación se propone para implementar una metodología que mejore la eficiencia de tiempo en la modelación de las red fracturas discretas (DFN) usadas en Donado (2009). Para lograr este objetivo principal, se propuso la teoría de percolación para redefinir la geometría de la red de conductiva reduciéndola y de esta manera minimizar el ancho de banda de la matriz de conductancia. Después de generar un algoritmo de percolación que se acomodara a nuestras necesidades y objetivos, se aplico esté a 100 DFN´s de Donado (2009). Con este algoritmo se encontraron redes de fracturas conductivas mucho mas reducidas que las originales, que al modelarlas no se apartaron del comportamiento real del fluido y que dan funciones objetivo parecidas o en algunas ocasiones mejores a las encontradas por Donado (2009). Estas modelaciones se realizaron un menor tiempo computacional gracias a que se redujo el ancho de banda de la matriz de conductancia. / Abstract. This research aims to implement a methodology to improve the efficiency of time on modeling of Discrete Fracture Networks (DFN) used in Donado´s (2009). To achieve this objective, percolation theory was proposed to redefine the geometry of the conductive network and thus reducing the bandwidth and minimize the conductance matrix. After generating a percolation algorithm that would fit our needs and goals, we applied this to 100 of Donado´s DFN (2009). With this algorithm was found that conductive fracture networks are much smaller than the original, and once they were modeled its behavior did not turn away from the actual behavior of the fluid and give objective functions similar or sometimes better than those found by Donado (2009). Such modeling was performed with less computational time because it was reduced by the bandwidth of the matrix of conductance. Maestría

El acuífero de la zona plana del valle del cauca se localiza en una de las grandes cuencas intramontanas de Colombia. Con una extensión de 3,337km2, suministra el 80% del agua subterránea que se extrae del país, abasteciendo cerca de un millón de habitantes, 122,000 has de cultivos y más de 122 industrias. Sin embargo, la sostenibilidad de estos beneficios en el largo plazo exige una adecuada gestión del recurso soportada en herramientas confiables con una base científica. La investigación presentada evalúa cuantitativamente los principales parámetros de la hidráulica de aguas subterráneas del acuífero, determina la estructura de correlación espacial de estos parámetros y ratifica los resultados obtenidos a partir de la geomorfología y la geología del valle. Se propone un nuevo modelo conceptual del acuífero y una nueva ecuación empírica para la estimación del valor medio de la transmisividad a partir de la capacidad específica medida en campo. Se presentan nuevos modelos estocásticos univariados y multivariados de correlación espacial y se generan mapas de predicción de valores para los diferentes parámetros, asociando a sus resultados una medida de la certidumbre de los mismos. Todo lo anterior, conforma un conjunto de herramientas útiles de aplicación directa e intenta contribuir al propósito tan necesario en nuestro país de acercar la técnica y la toma de decisiones. Abstract: The Cauca Valley is located in one of the great colombian intramountain basin. With an area of 3, 337km2 , provides 80% of groundwater extracted from the country, supplying about one million habitants, 122, 000 hectares of crops and more than 122 industries. However, the sustainability of these benefits in the long term requires adquate resource managment tools supported by reliable scientific basis. The reseacrh quantitatively evaluate the main hydraulic parameters of the grounwatr aquifer, determines the spatial correlation structure of these parameters and confirms the results obtained from the geomorphplogy and the geology of the valley. We propose a new conceptual model and a new empirical equation for estimating the average value of Transmisivity from the empirical specific capacity. We develope new univariate and multivariate spatial correlation stochastic models and prediction maps are generated for different parameters results, associating a measure of the certainty of them. All of the above forms a set of useful tools directly applicable and seeks to contribute to the so necessary purpose in our country to bring the technical and decision making. Maestría

El entendimiento del flujo de agua en medios fracturados es un problema muy complejo, este tipo de rocas tiene un gigantesco número de fracturas con propiedades desconocidas, razón por la cual estos medios son modelados en un marco estocástico. Una de los métodos para la modelación de los macizos fracturados es la aproximación por redes de fracturas discretas (DFN) donde las fracturas son modeladas por medio de funciones de densidad de probabilidad [e.g., Donado, 2009] y de sus propiedades (longitud, orientación, localización, densidad y tamaño). Con el objetivo de hacer el problema posible en términos paramétricos, se usa la metodología propuesta en [1]. Se usaron pruebas hidráulicas, que fueron realizadas en el sitio el Berrocal (Centro de España), cinco familias geológicas fueron identificadas en este macizo. Cuatro algoritmos de optimización fueron utilizados para representar las pruebas, (i) Simulaciones de Monte Carlo, este se fundamenta en la generación de una nube de puntos sobre una distribución uniforme en el espacio paramétrico de la posible solución, (ii) Método de máxima verosimilitud, que consiste en maximizar la probabilidad de observación de los datos medidos contra la probabilidad de los parámetros, (iii) SCE-UA, el cual combina las fortalezas de los algoritmos evolutivos de búsqueda aleatoria controlada (CRS) con el concepto de evolución competitiva [2]. Y (iv) PSO, que es una técnica basada en optimización estocástica inspirada en el comportamiento de aves y peces. Como resultado se obtuvo una representación del sistema que modelo los procesos de flujo en la formación objeto de estudio y se sugiere una metodología para abordar este tipo de casos. / Abstract. The understanding of groundwater flow in fractured media is a very complex, these types of rocks have a gigantic number of fractures with unknown properties, reason why these media are modeled in a stochastic framework. One of the methods for the modeling of fracture massif is the Discrete Fracture Network (DFN) approach where fractures are modeled by means of probability density functions [e.g., Donado, 2009] of their properties (length, orientation, location, density and size).With the objective of having a feasible problem in parametric terms, we use the proposed methodology in [1]. We use hydraulic tests, which were realized, in El Berrocal Site (center Spain), five families of fractures were defined in this massif. Four algorithms of optimization were used to represent the tests, (i) Monte Carlo simulations, which are funded in the generation of a cloud of points over an uniform distribution in the parametric space of the possible solutions, (ii) Maximum likelihood, that consists on the maximization of the observation probability of the measured data against the parameters probability, (iii) SCE-EA, which combines the strength of the evolutionary algorithms of controlled random search (CRS) with the concept of competitive evolution [2]. And (iv) PSO, that is a population technique based on stochastic optimization inspired in the behavior of birds and fishes. The result was a representation of the model system flow processes in order to study the formation and suggests a methodology to address such cases. Maestría

Un elemento crucial en el análisis del transporte reactivo es la evaluación de modelos espacio temporales de las tasas de reacción, que permiten identificar la posición y magnitud de las tasas máximas locales, las cuales pueden tener impactos significantes en las propiedades hidráulicas del medio, sirven para identificar la extensión de la fracción del dominio que contribuye al proceso observado y brindan información sobre la tasa de evolución del sistema hacia el equilibrio (Sanchez-Vila et al., 2010). En este trabajo se estudia la combinación de las reacciones en equilibrio (rápidas) y cinética (lentas) en un sistema multicomponente; tomando como base la metodología propuesta por Molins et al., (2004) y desarrollada por Sanchez-Vila, et al., (2010) para el desacople de un sistema de transporte reactivo, analizando un medio más realista: el sistema Carbonato-Cálcico (De Simoni et al., 2007). El modelo estudiado consta de un acuífero confinado bajo condiciones de flujo bidimensional y condiciones estacionarias. Por medio de la definición de dos componentes conservativas y una cinética, se desarrolló una expresión semianalítica para la determinación de la tasa de reacción cinética en función de las componentes conservativas y la concentración de hidrógeno y posteriormente se acopló con la ecuación diferencial parcial que describe el transporte, cuya solución permite conocer la distribución espacio temporal del sistema. Dentro del análisis del transporte de solutos se analizó el sistema teniendo en cuenta la variación de la velocidad hidrodinámica y la velocidad de reacción por medio del número adimensional de Damkölher (Steeffel et al., 1994). Finalmente, se analizó el efecto de la salinidad en la evolución del sistema (efecto algebraico y efecto de fuerza iónica), lo cual origina una mayor o menor cantidad de calcita precipitada o disuelta. En esta aplicación se resalta la alta no linealidad del problema y la respuesta no monótonica del sistema. / Abstract. A crucial element on the reactive transport analysis is the estimation of space-time distributions of the reaction rates. First, they allow to identify magnitude and position of the maximum local rates, which may have significant impacts on the hydraulic properties; second, identifying the extension of the domain fraction that contributes to the observed process and finally, providing information about the rate evolution towards the equilibrium (Sanchez-Vila et al., 2010). In this work the combination of equilibrium and kinetic reactions in a multicomponent system is studied; based on the methodology proposed by Molins et al., (2004) and developed by Sanchez-Vila, et al. (2010) to decouple a reactive transport system, a more realistic sytem was analized: the carbonate-calcium system (De Simoni et al., 2007) in a 2D homogeneous domain under uniform flow conditions. This methodology, let us to define two conservative components and one kinetic which make possible the development of one semi-analytic expression to determine kinetic reaction rates as a function of the conservative components and the hydrogen concentration. Then it was coupled with the partial differential equation that describes transport and the solution of the equation provides the system space-time distribution. The system was analyzed varying the hydrodynamic velocity compared with the reaction velocity by means of the Damkölher number (Steeffel et al., 1994). Finally, the salinity effect in the evolution system was studied (algebraic effect and ionic effect), which leads a higher or lower quantity of calcite diluted or precipitated. This application highlights the high non-linearity of the problem and the non-monotonic response of the system. Maestría