UNIVERSIDAD DE COSTA RICA SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSGRADO MAESTRIA ACADÉMICA EN HIDROLOGÍA PROPAGACIÓN DE SEQUÍAS HIDROLÓGICAS EN ACUÍFEROS COSTEROS DEL PACÍFICO NORTE, PROVINCIA GUANACASTE, COSTA RICA Tesis sometida a la consideración de la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ciencias de la Atmósfera para optar al grado y título de Maestría Académica en Hidrología MARIEL CELESTE GONZÁLEZ ARTAVIA Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 2023 ii DEDICATORIA A mi señora madre por todo su apoyo, constancia y amor. AGRADECIMIENTOS Agradezco al Dr. Hugo Hidalgo León por el acompañamiento recibido durante la maestría y el desarrollo del proyecto. Su paciencia y apoyo fueron constantes y permitieron alcanzar las metas. También quisiera agradecer al Dr. Marco Barahona Palomo y Dr. José Pablo Bonilla Valverde por su disponibilidad para participar y colaborar en el proyecto, así como por los valiosos aportes recibidos. Finalmente, quisiera agradecer a mi madre por acompañarme e impulsarme emocionalmente en todos mis proyectos académicos. iii “Esta tesis fue aceptada por la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ciencias de la Atmósfera de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para optar al grado y título de Maestría Académica en Hidrología.” Dr. Erick Rivera Fernández Representante de la Decana Sistema de Estudios de Posgrado Dr. Hugo Hidalgo León Director de Tesis Dr. Marco Barahona Palomo Asesor Dr. José Pablo Bonilla Valverde Asesor Dr. Rodrigo Castillo Rodríguez Director Programa de Posgrado en Ciencias de la Atmósfera Mariel Celeste González Artavia Candidata iv Tabla de contenido Resumen ........................................................................................................................... x Abstract ............................................................................................................................ xii 1. Introducción ................................................................................................................ 1 1.1. Tema .......................................................................................................................... 1 1.2. Problema de investigación .......................................................................................... 1 1.3. Área de estudio........................................................................................................... 2 2. Justificación ................................................................................................................ 3 2.1. Descriptores ............................................................................................................... 4 2.2. Objetivo General ......................................................................................................... 4 2.3. Objetivos Específicos.................................................................................................. 4 3. Antecedentes .............................................................................................................. 5 Investigaciones sobre sequías hidrológicas e índices de sequía. ................................... 5 Investigaciones geológicas e hidrogeológicas en el área de estudio .............................. 9 4. Marco teórico ............................................................................................................ 11 Propagación y tipos de sequía ..................................................................................... 11 Indicadores o índices de sequía ................................................................................... 16 5. Metodología .............................................................................................................. 24 5.1. Tipo y enfoque de investigación ......................................................................... 24 5.2. Diseño y fases de investigación ......................................................................... 24 6. Descripción de los sistemas de respuesta ................................................................ 26 6.2. Condiciones geológicas de las cuencas ............................................................ 29 6.3. Condiciones hidrogeológicas de las cuencas ..................................................... 32 6.3.1. Acuíferos en la cuenca Playa Panamá ....................................................... 32 6.3.2. Acuíferos en la cuenca Coco ...................................................................... 35 6.3.3. Acuíferos en la cuenca Sardinal ................................................................. 37 6.4. Recarga de acuíferos (Metodología Healey y Cook, 2002) ................................ 39 7. Caracterización de sequías ...................................................................................... 42 v 7.1. Meteorología y disponibilidad de datos .............................................................. 42 7.2. Monitoreo de aguas subterráneas ..................................................................... 51 7.2.1. Monitoreo automatizado ............................................................................. 52 7.2.2. Monitoreo manual mensual ........................................................................ 60 7.2.3. Análisis de las respuestas positivas y negativas en el nivel freático del acuífero Panamá ...................................................................................................... 63 7.2.4. Análisis de las respuestas positivas y negativas en el nivel freático del acuífero Coco ........................................................................................................... 65 7.2.5. Análisis de las respuestas positivas y negativas en el nivel freático del acuífero Sardinal ...................................................................................................... 69 7.2.6. Modelos de propagación y tipologías de sequía ......................................... 71 7.2.7. Probabilidad de ocurrencia de sequías ....................................................... 72 8. Índices de sequía ...................................................................................................... 74 8.1. Índice SPI .......................................................................................................... 74 8.2. Índice SPEI ........................................................................................................ 76 8.3. Índice RPI .......................................................................................................... 76 8.4. Índice SWI ......................................................................................................... 77 8.5. Índice SGI .......................................................................................................... 81 9. Conclusiones ............................................................................................................ 83 10. Referencias .............................................................................................................. 88 Anexo 1. .......................................................................................................................... 96 Análisis del monitoreo automatizado en el área de estudio. ............................................. 96 Anexo 2. .......................................................................................................................... 99 Análisis del monitoreo manual en el área de estudio. ...................................................... 99 vi Tabla de Cuadros Cuadro 1: Cuadros de diferentes autores para la categorización de las clases de sequía meteorológica según el valor de SPI. ............................................................................... 17 Cuadro 2: Clases de periodos secos del índice RPI. Tomado de Leszek (2014). ............ 18 Cuadro 3: Listado de índices utilizados para estudiar sequías. Tomado de Sadeghfam (2018). ............................................................................................................................. 19 Cuadro 4: Clasificación de sequías según los valores de SWI y la probabilidad relativa. Tomada de Sadeghfam (2018) y modificada de Bhuiyan (2004). ..................................... 23 Cuadro 5: Modelo conceptual hidrogeológico en la cuenca Playa Panamá ..................... 34 Cuadro 6: Modelo conceptual hidrogeológico en la cuenca Coco. ................................... 37 Cuadro 7: Modelo conceptual hidrogeológico en la cuenca Sardinal. .............................. 38 Cuadro 8: Resultados de la recarga en los eventos seleccionados para cada una de las cuencas. .......................................................................................................................... 41 Cuadro 9: Resumen de la ubicación de las estaciones meteorológicas y el periodo de tiempo con disponibilidad de datos. ............................................................................................. 43 Cuadro 10: Categorización de la acumulación diaria de lluvia en la estación ASADA Artola durante los años 2018, 2019, 2020, 2021 y 2022. ........................................................... 49 Cuadro 11: Registros de eventos de precipitación alta en la estación ASADA Artola....... 50 Cuadro 12: Eventos importantes de precipitación según el Boletín Meteorológico del IMN. ........................................................................................................................................ 51 Cuadro 13: Resumen de los datos disponibles del monitoreo de aguas subterráneas en el área de estudio. ............................................................................................................... 51 Cuadro 14: Tabulación de los meses con probabilidad de que ocurra una sequía según el registro de precipitaciones de la estación San José, Pinilla. Los recuadros en gris son meses sin datos de precipitación. ............................................................................................... 73 Tabla de Figuras Figura 1: Mapa de ubicación de las áreas propuestas para desarrollar la investigación. ... 2 Figura 2: Manifestación de la sequía en el ciclo hidrológico. Tomada de Birkel (2006). .. 12 Figura 3: Propagación de una anomalía en la precipitación, a través de la sección terrestre del ciclo hidrológico para varias variables, (a) serie de tiempo sintética: 0 media, - anomalía negativa, + anomalía positiva, (b) serie de tiempo de la cuenca de Pang: P precipitación, Sr almacenamiento de la humedad del suelo en la zona de raíces, H nivel del agua subterránea vii y Q escorrentía. La propagación de eventos se indica con las flechas. Tomada de Van Loon (2015). ............................................................................................................................. 12 Figura 4: Propagación de sequía, incluyendo conductores y comentarios, naturales y antropogénicos. Las flechas negras indican influencia directa y las flechas grises comentarios. Tomado de Van Loon y otros, (2016). ........................................................ 14 Figura 5: Mapa del modelo de sombra de las cuencas en estudio. .................................. 27 Figura 6: Mapa de la distribución de las pendientes en el área de estudio. ...................... 27 Figura 7: Mapa de cobertura de suelo del área de estudio. ............................................. 28 Figura 8: Mapa geológico de las cuencas en estudio. Tomado de Denyer y otros (2013). 29 Figura 9: Mapa de acuíferos aluviales y perfiles hidrogeológicos en el área de estudio. . 33 Figura 10: Perfil hidrogeológico de la cuenca hidrográfica Playa Panamá. ...................... 34 Figura 11: Perfil hidrogeológico de la cuenca hidrográfica Coco. ..................................... 37 Figura 12: Perfil hidrogeológico de la cuenca hidrográfica Sardinal. ................................ 38 Figura 13: Mapa de ubicación de las estaciones meteorológicas cercanas al área en estudio. ............................................................................................................................ 42 Figura 14: Gráfico con los valores de precipitación registrados en la estación ASADA Artola entre el 2017 y 2022. ....................................................................................................... 43 Figura 15: Gráfico con los valores de precipitación anual registrados en la estación ASADA Artola entre el 2017 y 2022 para la estación seca. Los registros del 2017 inician en mayo del 2017. .......................................................................................................................... 48 Figura 16: Gráfico de precipitación diaria acumulada en la estación ASADA Artola entre el 2018 y 2022. .................................................................................................................... 49 Figura 17: Gráfico de la precipitación contra nivel freático en el pozo CN-259 para el año 2017, 2018 y 2019. .......................................................................................................... 53 Figura 18: Gráfico con la media móvil cada 11 días, de la precipitación contra nivel freático en el piezómetro CN-736 para los años 2017, 2020 y 2021. ............................................ 55 Figura 19: Gráfico de la precipitación contra nivel freático en el pozo CN-741 para los años 2017, 2018, 2020 y 2021. ................................................................................................ 57 Figura 20: Gráfico de la precipitación contra nivel freático para los pozos en el acuífero Sardinal en los años 2017, 2018, 2020 y 2021. ............................................................... 59 Figura 21: Gráfico de la mediana del monitoreo manual para el acuífero Panamá y las respuestas positivas y negativas...................................................................................... 64 Figura 22: Gráfico de la mediana del monitoreo manual para el acuífero Coco y las respuestas positivas y negativas...................................................................................... 66 viii Figura 23: Gráfico de la mediana del monitoreo manual para el acuífero Sardinal y las respuestas positivas y negativas...................................................................................... 70 Figura 24: Gráfico del índice SPI en la estación meteorológica ASADA ARTOLA. .......... 75 Figura 25: Gráfico del índice SPEI en la estación ASADA Artola. .................................... 76 Figura 26: Gráfico del índice RPI de la estación ASADA Artola. ...................................... 77 Figura 27: Gráfico del índice SWI para el acuífero Panamá. ............................................ 78 Figura 28: Gráfico del índice SWI para el nivel somero del acuífero Coco. ...................... 79 Figura 29: Gráfico del índice SWI para el nivel profundo del acuífero Coco ..................... 79 Figura 30: Gráfico del índice SWI para el acuífero Panamá. ............................................ 79 Figura 31: Gráfico del índice SGI para el acuífero Panamá. ............................................ 81 Figura 32: Gráfico del índice SGI para el nivel somero del acuífero Coco. ....................... 82 Figura 33: Gráfico del índice SGI para el nivel profundo del acuífero Coco. .................... 82 Figura 34: Gráfico del índice SGI para el acuífero Sardinal. ............................................. 82 ix Lista de abreviaturas AyA: Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados IC: Integrated meteorological drought index CMI: Crop Moisture Index CWB: Climatic Water Balance DI: Decile Index EDI: Effective drought index FAPAR: Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation Fm: Formación geológica IMN: Instituto Meteorológico Nacional Mb: Miembro geológico MINAE: Ministerio de Ambiente y Energía mRAI: Índice Modificado de Anomalía de Lluvia PDSI: Palmer Drought Severity Index PHDI: Índice Hidrológico de Palmer Pa: Precipitation anomaly PSS: Pierce skill score RPI: Relative Precipitation Index RDI: Índice de Reconocimiento de Sequía SDAT: Standardized Drought Analysis Toolbox SENARA: Servicio Nacional de Aguas Subterráneas Riego y Avenamiento SGI: Standardized Groundwater Level Index SIMASTIR: Sistema de Monitoreo de Agua Subterránea en Tiempo Real SPDI: Standardized Palmer Drought Index SPEI: Standardized Precipitation and Evaporation Index SPI: Standardized Precipitation Index - Índice Normalizado de Precipitación SSI: Standardized Streamflow Index SWI: Standardized Water-level Index x Resumen La presente investigación tiene como finalidad describir la propagación de sequías hidrológicas en los acuíferos Panamá, Coco y Sardinal, en la Península de Nicoya, a partir de los niveles de agua subterránea y datos meteorológicos; así como evaluar la implementación de índices de sequía como herramienta para la descripción de sequías hidrológicas. La sequía es el estado de desviación desde lo normal, de cualquiera de los componentes del ciclo hidrológico (Quesada-Montano, 2017). Se denomina sequía meteorológica al déficit de precipitación y sequía hidrológica a la disponibilidad de agua subterránea por debajo de lo normal (Van Loon y otros, 2016), mientras que la propagación es el proceso que ocurre desde a sequía meteorológica hasta la sequía hidrológica y es influenciada por las propiedades de captura como geología y cobertura del suelo. Los 3 acuíferos en estudio corresponden con acuíferos aluviales del Cuaternario, constituidos por arenas, gravas y limos de diferente granulometría y con valores de transmisibilidad de distintos ordenes dentro del mismo acuífero. Los datos meteorológicos se registraron en la estación ASADA Artola en Sardinal, con un registro desde el 2017 al 2022. Los años de menor precipitación en el registro y que son de mayor interés para evaluar la presencia de sequías corresponden con el 2018 y 2019. La estación seca ocurre entre diciembre y marzo y se caracteriza por presentar una precipitación cercana a 0 mm. Los datos del nivel del agua subterránea se tomaron del monitoreo manual y automatizado del proyecto SIMASTIR de la DA. El monitoreo automatizado de los pozos cuenta con datos del nivel del agua subterránea cada hora, los cuales se promediaron para obtener un dato diario, que se graficó respecto la precipitación diaria registrada en la estación ASADA Artola. Estos gráficos demostraron que la propagación desde la precipitación al nivel del agua subterránea en el acuífero se caracteriza por presentar una duración concordante con la estación lluviosa y seca; y consecuentemente la propagación de la estación seca tiene una frecuencia anual. Además, debido a que el descenso del nivel freático es inmediato luego del evento de mayor precipitación, la propagación de la estación seca en el nivel freático se considera con una retardación inmediata. xi A partir del monitoreo del nivel manual del nivel del agua subterránea, se obtuvo una mediana mensual del nivel del agua subterránea para cada acuífero; estos niveles se graficaron respecto la precipitación, lo que permitió identificar las respuestas positivas y negativas en el acuífero. Las gráficas permitieron establecer una tipología de sequía correspondiente con la sequía entre la estación seca y lluviosa, que se caracteriza por presentar una retardación entre inmediata y 3 días, así como un alargamiento que se limita a la duración de la época seca; además, durante la estación lluviosa, eventos de precipitación por encima de los 100 mm de lluvias producirán respuestas positivas inmediatas, eventos de menor precipitación presentarán respuestas entre 3 y 24 días. También se concluye que la atenuación en el nivel freático es mayor conforme aumente el espesor de la zona no saturada. En cuanto a los índices de sequía, para los datos meteorológicos se calcularon los índices SPI y SPEI, ambos demostraron una buena concordancia. También se calculó el índice RPI, que no concordó con los anteriores, puesto que la metodología difiere y se requiere una adecuación del sistema de categorización. Para los datos del nivel de agua subterránea se calcularon los índices SGI y SWI. Los resultados exhibidos en las gráficas SGI para los acuíferos, concuerdan con los periodos secos establecidos en las gráficas SPI y SPEI. No obstante, el índice SWI presenta la mejor concordancia con las respuestas negativas del nivel freático, en cuanto a la profundidad del descenso y la duración. En conclusión, los índices reflejaron las condiciones de sequía en la zona de estudio y como herramienta resultaron funcionales para señalar condiciones de sequía en los 3 acuíferos. xii Abstract The purpose of this research is to describe the propagation of hydrological droughts in the Panama, Coco and Sardinal aquifers, in the Nicoya Peninsula, based on groundwater levels and meteorological data; as well as evaluate the implementation of drought indices as a tool for the description of hydrological droughts. Drought is the state of deviation from normal, of any of the components of the hydrological cycle (Quesada-Montano, 2017). The precipitation deficit is called meteorological drought and hydrological drought is the availability of groundwater below normal (Van Loon et al., 2016), while propagation is the process that occurs from meteorological drought to hydrological drought and is influenced by capture properties such as geology and ground cover. The 3 aquifers under study correspond to Quaternary alluvial aquifers, made up of sands, gravels and silts of different granulometry and with transmissibility values of different orders within the same aquifer. The meteorological data were recorded at the ASADA Artola station in Sardinal, with a record from 2017 to 2022. The years with the least precipitation in the record and that are of greatest interest to evaluate the presence of droughts correspond to 2018 and 2019. The dry season occurs between December and March and is characterized by precipitation close to 0 mm. Groundwater level data were taken from manual and automated monitoring of the DA's SIMASTIR project. The automated monitoring of the wells has groundwater level data every hour, which were averaged to obtain a daily data, which was graphed against the daily precipitation recorded at the ASADA Artola station. These graphs demonstrated that the propagation from precipitation to the groundwater level in the aquifer is characterized by presenting a duration consistent with the rainy and dry season; and consequently, the propagation of the dry season has an annual frequency. Furthermore, because the drop in the water table is immediate after the highest precipitation event, the propagation of the dry season in the water table is considered to have an immediate retardation. xiii From manual level monitoring of the groundwater level, a monthly median groundwater level was obtained for each aquifer; These levels were graphed against precipitation, which made it possible to identify the positive and negative responses in the aquifer. The graphs allowed establishing a typology of drought corresponding to the drought between the dry and rainy season, which is characterized by presenting a delay between immediate and 3 days, as well as a lengthening that is limited to the duration of the dry season; In addition, during the rainy season, precipitation events above 100 mm of rain will produce immediate positive responses, events with lower precipitation will present responses between 3 and 24 days. It is also concluded that the attenuation in the water table is greater as the thickness of the unsaturated zone increases. Regarding the drought indices, the SPI and SPEI indices were calculated for the meteorological data, both demonstrated good agreement. The RPI index was also calculated, which did not agree with the previous ones, since the methodology differs and an adaptation of the categorization system is required. For the groundwater level data, the SGI and SWI indices were calculated. The results displayed in the SGI graphs for the aquifers agree with the dry periods established in the SPI and SPEI graphs. However, the SWI index presents the best agreement with the negative responses of the water table, in terms of the depth of the descent and the duration. In conclusion, the indices reflected the drought conditions in the study area and as a tool they were functional to indicate drought conditions in the 3 aquifers. 1. Introducción 1.1. Tema El tema de investigación consiste en describir la propagación de las sequías hidrológicas en algunas cuencas de la Península de Nicoya, en la provincia Guanacaste, así como la evaluación e implementación de índices de sequías que permitan correlacionar los niveles de agua subterránea de los acuíferos costeros y los datos de estaciones meteorológicas locales. 1.2. Problema de investigación La integración de los estudios hidrológicos e hidrogeológicos es uno de los retos actuales a nivel país para implementar una gestión integrada del recurso hídrico. En Costa Rica el monitoreo de los niveles de agua subterránea es bastante reciente, a través del Comité Técnico Interinstitucional para la Gestión de Acuíferos, conformada por la Dirección de Agua del Ministerio de Ambiente y Energía (MINAE), Servicio Nacional de Aguas Subterráneas Riego y Avenamiento (SENARA) e Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados (AyA), se han establecido zonas de interés para el establecimiento de un monitoreo periódico, debido a diversos conflictos sociales y de escasez del recurso hídrico en la provincia Guanacaste. Paralelo a las actividades de monitoreo se ha implementado un proceso de instrumentalización de las cuencas, que conlleva la ubicación de estaciones meteorológicas y la instalación de medidores automáticos y en tiempo real de las fluctuaciones en los niveles de los pozos de los acuíferos locales. Estos datos han sido utilizados para la elaboración de balances hídricos y la formulación de políticas de aprovechamiento del agua subterránea, que generalmente están orientadas a la delimitación de zonas de restricción a la perforación y a la prohibición de aumentar caudales concesionados. No obstante, dichos estudios no integran la disponibilidad hídrica con la estacionalidad de las condiciones meteorológicas, por lo que se plantea un problema de investigación, fundamentado en la necesidad de elaborar estudios más localizados y detallados, que permita cualificar y modelar las variaciones de los niveles de los acuíferos, respecto la dinámica atmosférica. Para abordar el problema se propone verificar y validar la 2 implementación de índices de sequía, que contribuyan con la identificación de sequías hidrológicas. De tal manera que se plantean las siguientes preguntas de investigación: 1. ¿Cómo se propagan las sequías meteorológicas en los acuíferos costeros? 2. ¿Contribuyen los índices de sequía en la determinación y descripción de las sequías hidrológicas? 1.3. Área de estudio De acuerdo con la disponibilidad de datos, se propone desarrollar la investigación en los acuíferos de Coco, Sardinal y Panamá. En la Figura 1 se muestra el área de estudio. Se consideran varias áreas de trabajo con la finalidad de comparar los procesos de propagación de sequía delimitados en cada una de las cuencas, para así evaluar y validar la importancia de la implementación de índices de sequía en el monitoreo del agua subterránea. Figura 1: Mapa de ubicación de las áreas propuestas para desarrollar la investigación. 3 2. Justificación Las redes de monitoreo de agua subterránea en el Pacífico Norte se establecieron en zonas específicas con la finalidad de atender problemas de disponibilidad del recurso hídrico. En estas zonas, existe una demanda para abastecimiento local y una demanda por parte del sector económico, encabezado principalmente por empresas turísticas. La implementación de la red de monitoreo ha contribuido al control y la toma de decisiones vinculadas a políticas para la gestión del recurso hídrico. No obstante, la estrategia adoptada está dirigida a prohibir la perforación de nuevos pozos y monitorear los niveles del agua subterránea. La disponibilidad de los datos de monitoreo también ha sido una fuente de información para el desarrollo de tesis en hidrogeología para la implementación de balances hídricos y modelos numéricos de los acuíferos (Monge, 2015 y Dormond, 2021). En la presente investigación se pretende incorporar estos datos en métodos estadísticos, que relacionan la dinámica del agua subterránea y la dinámica atmosférica. Analizar la propagación de las sequías hidrológicas, permitirá conocer el comportamiento estacional en la localidad, así como el impacto de la variabilidad climática en la zona, lo que podría traducirse en políticas locales más detalladas y asertivas. Además, la implementación de nuevas metodologías y herramientas para abordar el tema de la disminución de los niveles del agua subterránea permitiría reconocer las causas de las sequías hidrológicas y su comportamiento en las unidades acuíferas. El estudio también podría contribuir a identificar requerimientos de instrumentalización para la cuenca, así como la identificación de zonas de interés y zonas sin suficiente información. La metodología por implementar en esta investigación fue desarrollada por Quesada-Montano (2017), utilizando como estudio de caso la cuenca del río Savegre. En dicho proyecto, la autora señaló como una limitación importante, la falta de datos de agua subterránea, lo cual se subsanó empleando el flujo base establecido en la escorrentía del río. La presente investigación propone utilizar datos exactos y precisos de los niveles del agua subterránea, abarcando varias cuencas locales y mejor estudiadas en términos de geología e hidrogeología. 4 2.1. Descriptores Sequía hidrológica; índices de sequía; acuífero aluvial; acuífero costero. 2.2. Objetivo General Describir la propagación de sequías hidrológicas en diferentes cuencas de Costa Rica, a partir del monitoreo de las aguas subterráneas y el análisis de datos meteorológicos, con el objeto de establecer las condiciones hidrogeológicas y meteorológicas locales que favorecen la ocurrencia de los diferentes tipos de sequías. 2.3. Objetivos Específicos 1. Caracterizar las sequías en el área de estudio, utilizando datos de precipitación y niveles de agua subterránea, para determinar la propagación de las sequías meteorológicas a las sequías hidrológicas. 2. Determinar las cuencas con sistemas de respuesta rápida ante sequías hidrológicas, a partir de la información disponible, con la finalidad de reconocer las características geológicas, hidrogeológicas e hidrológicas locales que condicionan la vulnerabilidad física del área de estudio ante la propagación de los diferentes tipos de sequías. 3. Calcular diferentes índices de sequía, a partir de la información meteorológica y niveles de agua subterránea, con el objeto de evaluar su funcionalidad como herramienta para el estudio de sequías hidrológicas. 5 3. Antecedentes Investigaciones sobre sequías hidrológicas e índices de sequía. A continuación, se describen brevemente algunas investigaciones asociadas con el estudio de sequías hidrológicas. A nivel internacional, Polonia (Łabędzki y Bąk, 2014) mantiene un sistema de monitoreo regional de sequías con la finalidad de monitorear las sequías meteorológicas y evaluar su intensidad se utilizan los siguientes indicadores, Relative Precipitation Index (RPI), Effective drought index (EDI), SPI y Climatic Water Balance (CWB). La investigación de Kumar y otros (2016), en Alemania y Países Bajos, se enfocó en explorar la idoneidad del índice SPI para caracterizar sequías en el agua subterránea, utilizando observaciones mensuales de más de 2000 pozos durante un periodo de 10 años. Dichos autores mencionan la importancia de utilizar pozos de observación, que se ubiquen lejos o estén aislados de los pozos de extracción, con la finalidad de atribuir los cambios de niveles de agua subterránea a causas climáticas y descartar que estas variaciones se deban también a causas antropogénicas. Esta observación es de suma importancia para la investigación propuesta, considerando que se trata de acuíferos aluviales de poca extensión, es posible que la actividad de extracción y aprovechamiento de aguas subterráneas ocasione interferencia durante el manejo de datos. Sin embargo, se debe destacar que los datos utilizados por Kumar y otros (2016) corresponden a medidas mensuales, mientras que los datos de la presente investigación cuentan con medidas automatizadas por hora, lo que permitiría discernir o excluir las jornadas de bombeo de los pozos. En la investigación de Kumar y otros (2016) se evaluó el índice SPI para caracterizar el índice SGI. El primer paso consistió en examinar la relación espacio – temporal entre los dos índices basado en un análisis de correlación cruzada. Para tal fin se utilizó la serie de tiempo completa de los índices SPI y SGI, también se utilizó el coeficiente de correlación de rango Spearman como una medida no paramétrica para cuantificar la fuerza de una relación monotónica entre ambos índices. El siguiente paso consistió en la habilidad de evaluar el SPI para detectar las sequías del agua subterránea basado en el SGI, la sequía se definió cuando los índices caen por debajo de un intervalo definido (Kumar y otros, 2016). Kumar y otros (2016) observaron que los acuíferos con niveles de agua subterránea someros responden más rápido a los eventos de precipitación y que la variabilidad de las 6 anomalías del agua subterránea se explican mejor a una escala corta del SPI, aunque hay algunas excepciones, lo que evidencia la importancia de la información hidrogeológica. Esta observación es de suma importancia, al considerar que en la investigación propuesta se pretende trabajar con acuíferos costeros aluviales y someros, por lo que se cumplen algunas condiciones que favorecen o fundamentan la aplicación de estos índices para el estudio de las sequías hidrológicas en las áreas de estudio definidas. La investigación (Kumar y otros, 2016) concluyó que la precipitación necesita acumularse aproximadamente entre 3 a 24 meses para alinear las series de tiempo del SPI y el SGI, no obstante, se concluyó que el SPI carece de las habilidades para predecir las sequías de agua subterránea basadas en el SGI, reflejando la importancia del medio subsuperficial en modelar la señal de precipitación. En el contexto de América Central, la propuesta de monitoreo y análisis de sequías de Ravel y otros (2016) implicó la utilización de los índices de sequía SPDI (Palmer Drought Severity Index), SPI, CMI (Crop Moisture Index) y FAPAR (Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation), así como su relación con el registro de daños y pérdidas importantes para el sector agrícola y pecuario. La metodología empleada permitió identificar las áreas más afectadas y la variación temporal de la sequía. De acuerdo con Ravel y otros (2016), entre las ventajas de aplicar índices para el monitoreo de sequía, está la amplia cobertura geográfica, la complementación con otros índices meteorológicos y su relación con la productividad de los cultivos. A nivel de Costa Rica, para evaluar la severidad y frecuencia de las sequías hidrológicas, Birkel (2006) aplicó el método del umbral a series de caudal diario en 17 cuencas para el periodo comprendido entre 1973 y 2003. La metodología consistió en definir los eventos de sequía hidrológica mediante el método del nivel de umbral de caudal (Q90), a partir de los datos de estaciones fluviométricas, permitiendo definir la duración de los eventos en día, el déficit en volumen y la cantidad de sequías en un año. Los resultados evidenciaron que sólo en la Zona Norte se dio un resultado positivo significativo en términos de severidad y frecuencia, a pesar de que la mayoría de los resultados son poco significativos, el método empleado permitió establecer un patrón espacial de tendencias. Sobre la aplicación de índices de sequía, la investigación de Quesada-Hernández y otros (2020), realizó una comparación entre el SPI, el Índice Hidrológico de Palmer (PHDI), 7 el Índice de Reconocimiento de Sequía (RDI) y el Índice Modificado de Anomalía de Lluvia (mRAI) con la finalidad de establecer el índice que tiene mayor relación con los impactos de las sequías en el Corredor Seco Centroamericano. Los datos meteorológicos utilizados corresponden al periodo entre 1970 y 1999, para estaciones situadas en Liberia, Santa Cruz y Puntarenas. De acuerdo con Quesada-Hernández y otros (2020), los índices mRAI, RDI y PDSI se enfocan en analizar sequías meteorológicas, los índices Z y SPI para 6 meses reconocen impactos por sequías agrícolas, mientras que los índices SPI-12 y PHDI se utilizan para evaluar sequías hidrológicas. Los resultados obtenidos, establecieron que la distribución espacial de los impactos en las áreas de estudio están ligados al efecto de El Niño- Oscilación del Sur (ENOS) y que los índices identifican condiciones de sequía cuando se espera que esto ocurra. En el tema de los procesos de propagación y evaluación de sequía, se encuentra la investigación de Quesada-Montano (2017) que utilizó la cuenca del río Savegre como estudio de caso. En términos generales, la investigación de Quesada-Montano (2017) tuvo como objetivo, apoyar la reducción de riesgos asociados con desastres hidro-climáticos en América Central, a través del desarrollo de métodos para reducir la incertidumbre de datos y mejorando los métodos disponibles para estudiar y entender la variabilidad hidro- climática. La metodología implementada por Quesada-Montano (2017) es vinculante porque los procedimientos seguidos se planean adaptar y modificar, en función de la calidad y distribución de los datos disponibles para estudiar las cuencas del Pacífico Norte que se proponen en la presente investigación. Dicha metodología se dividió en dos etapas. La primera etapa consistió en el estudio de la propagación de las sequías, para lo cual Quesada-Montano (2017) realizó las siguientes actividades secuenciales: 1. Identificación de los eventos de sequía en la precipitación, río y flujo base. 2. Gráfica de los eventos de sequía en conjunto con las series de tiempo de cada variable para hacer un análisis visual inicial de la propagación de sequía. 3. Verificación sobre si los procesos de propagación de sequías coinciden con las tipologías de sequías hidrológicas definidas por Van Loon y Van Lanen (2002). 8 4. Determinación de las características de las sequías en términos de indicadores de tiempo y déficit, así como la agrupación, retraso y alargamiento de patrones en la cuenca. La segunda etapa se refiere a la evaluación de las sequías, donde Quesada-Montano (2017) implementó los siguientes pasos: 1. Cálculo de los índices SPI, deciles index, EDI y SPEI. 2. Análisis de los datos meteorológicos para conocer la relación con las características climáticas de la región, a través de la correlación del rango de Spearman entre los datos de precipitación dentro del área de estudio y los puntos más cercanos en los conjuntos de datos regionales de precipitación. 3. Análisis de diferentes combinaciones entre índices de sequías y los conjuntos de datos, a través del cálculo del Standardized Streamflow Index (SSI). 4. Evaluación a través de la correlación de Spearman entre los cuatro índices, el SSI y el Pierce skill score (PSS). Los resultados obtenidos para la cuenca Savegre, indican que las sequías hidrológicas fueron principalmente debido a sequías meteorológicas, no obstante, algunos eventos fueron ocasionados por mecanismos de control más complejos, asociados a características de la captura en la cuenca y la recarga del agua subterránea (Quesada-Montano, 2017). Una limitación importante señalada por Quesada-Montano (2017), es que se utilizó como descarga del agua subterránea el flujo base de la descarga de los ríos, lo que asume que el flujo base es principalmente la descarga del agua subterránea, lo cual no ha sido validado para la cuenca Savegre. Al respecto, se debe indicar que la presente investigación pretende utilizar datos de niveles de agua subterránea de tres años consecutivos en acuíferos costeros del Pacífico Norte, de ahí la importancia y el aporte novedoso de la investigación propuesta. En atención a los índices que podrían resultar más convenientes para las características y el monitoreo de las sequías en América Central, Quesada-Montano y otros (2018c) utilizaron los siguientes índices: variación del índice de deciles (DI, Decile Index), SPI, SPEI y EDI. 9 Otra investigación posterior de Quesada-Montano (2018b) indica que los modelos hidrológicos son una alternativa para reproducir series de flujo de escorrentías históricas, pero se requiere aplicar restricciones para simular la incertidumbre de la escorrentía simulada y obtener un dato adecuado. La principal limitación mencionada por Quesada-Montano y otros (2018a) es que la metodología propuesta solo se ha implementado en una cuenca, además señalan que la aplicabilidad de las condiciones climáticas regionales podría tener limitaciones en cuencas con diferentes características de captura. Investigaciones geológicas e hidrogeológicas en el área de estudio De acuerdo con la estratigrafía de la Península de Nicoya descrita y delimitada por Denyer y otros (2013), las cuencas Playa Panamá, El Coco, Sardinal, Cacao, Nimboyores, Zapote y Matapalo se distribuyen en el sector noroeste de la región El Coco – Brasilito. Esta región tiene como basamento el Complejo de Nicoya (edad Jurásico al Cretácico Santoniano), sobreyacido de lo más viejo a lo más reciente por las siguientes formaciones geológicas (Fm): • Radiolaritas del Complejo Nicoya (Jurásico – Cretácico Santoniano) • Fm. Puerto Carrillo (Campaniano). • Fm. Barbudal (Campaniano). • Fm. Santa Ana (Campaniano-Maastrichtiano). • Fm. Barra Honda (Paleoceno). • Fm. Descartes y Fm. Zapotal (Eoceno). • Fm. Bagaces Medio (Mioceno-Plioceno). • Fm. Montezuma (Plioceno). • Terrazas aluviales, Duna costera inactiva y los Depósitos aluviales que cubren la Fm. Bagaces (Pleistoceno). • Depósitos coluviales, Depósitos aluviales, Humedal y Depósitos de playa arenosa. En estas cuencas afloran los depósitos de playa arenosa y depósitos aluviales, así como la Fm. Bagaces, los basaltos y radiolaritas del Complejo de Nicoya y el intrusivo Potrero. También afloran los depósitos de arcilla y limo de ambiente humedal. En la cuenca Nimboyores, además aflora el Mb. Zapotal de la Fm Descartes y la Fm. Santa Ana (Denyer y otros, 2013). 10 Estudios detallados en la zona han sido realizados por Gómez (2005), quien define y describe los acuíferos El Coco y Ocotal; Orias (2010) quien presenta una propuesta de la disponibilidad hidrogeológica en el sector de El Coco. En la cuenca Nimboyores, se realizaron las investigaciones de Chávez (1980) sobre la geología local, así como el modelado hidrogeológico propuesto por García (2013). Mientras que en el acuífero Potrero- Brasilito están las investigaciones de Rodríguez y Agudelo (2009), así como Monge (2015). Por su parte, la cuenca Lagarto – Mala Noche estratigráficamente (según Denyer y otros, 2013) se ubican en la región Sámara – Cabo Blanco. Sobreyaciendo de lo más viejo a lo más reciente por las siguientes formaciones geológicas: • Fm. Sabana Grande (Cenomaniano-Coniaciano). • Fm. Puerto Carrillo (Campaniano). • Fm. Piedras Blancas (Campaniano-Maastrichtiano). • Fm. Arío (Eoceno). • Fm. Fila de Cal (Eoceno-Oligoceno). • Fm. Punta Pelada (Oligoceno-Mioceno). • Fm. Santa Teresa (Mioceno). • Fm. Montezuma (Plioceno-Pleistoceno). • Fm. Cóbano (Pleistoceno). • Depósito de playa levantado • Depósitos coluviales, Depósitos aluviales, Humedal y Depósitos de playa arenosa. En la cuenca Lagarto – Mala Noche afloran los depósitos de playa arenosa, depósitos aluviales, la Fm. Arío, la Fm. Piedras Blancas, la Fm. Puerto Carrillo, así como los basaltos del Complejo de Nicoya (según Denyer y otros, 2013). En la zona de estudio se encuentra la práctica geológica realizada por Barahona y Vargas (2001). Mientras que las cuencas Maquenco-Limón y Potrero-Caimital, estratigráficamente (según Denyer y otros, 2013) se localizan en la región Península de Nicoya Central Oriental. Sobreyaciendo de lo más viejo a lo más reciente por las siguientes formaciones geológicas: • Radiolaritas del Complejo Nicoya (Hauteriviano-Aptiano). • Fm. Loma Chumico (Albiano). • Fm. Sabana Grande (Cenomaniano-Coniaciano). • Fm. Puerto Carrillo (Campaniano). 11 • Fm. Piedras Blancas (Campaniano- Maastrichtiano). • Fm. Curú (Paleoceno-Eoceno). • Fm. Descartes (Eoceno). • Terraza aluvial. • Depósitos coluviales, Depósitos aluviales, Humedal, Depósitos de playa arenosa y Barra de arena litoral. En estas cuencas, afloran los depósitos aluviales y coluviales, la Fm. Piedras Blancas, la Fm. Sabana Grande la Fm. Loma Chumico, el intrusivo Potrero, los basaltos del Complejo de Nicoya (según Denyer y otros, 2013). En estas cuencas se destacan las investigaciones hidrogeológicas de García (2015) y Fuentes (2006). 4. Marco teórico Propagación y tipos de sequía Quesada-Montano (2017) define sequía como el estado de desviación desde lo normal, de cualquiera de los componentes del ciclo hidrológico. Además, señala que la comprensión de las causas de una sequía hidrológica depende de diversas variables, entre las cuales están los antecedentes de precipitación, humedad del suelo, evapotranspiración y almacenamiento. Por su parte, Van Loon y otros (2016) indican que las sequías se dividen en los siguientes tipos: sequía meteorológica (déficit de precipitación), sequía de humedad del suelo (niveles de humedad del suelo por debajo de lo normal) y sequía hidrológica (disponibilidad de agua subterránea por debajo de lo normal). La sequía meteorológica se refiere a un déficit de precipitación, combinado con un aumento de la evapotranspiración potencial, cuando se extiende sobre un área larga y se prolonga por un periodo de tiempo extensivo; la sequía de humedad de suelo también se denomina sequía agrícola, porque consiste en un déficit de humedad principalmente en la zona de raíces; mientras que la sequía hidrológica es un término asociado con anomalías negativas en el agua superficial y subsuperficial, como por ejemplo descensos en los niveles del agua subterránea, lagos, zonas de inundación y ríos (Van Loon, 2015). La propagación ocurre desde la sequía meteorológica a la sequía de humedad de suelo y finalmente a la sequía hidrológica, siendo influenciada por las propiedades de captura 12 como geología y cobertura vegetal (Van Loon y otros, 2016), como se detalla en la Figura 2 y Figura 3. Figura 2: Manifestación de la sequía en el ciclo hidrológico. Tomada de Birkel (2006). Figura 3: Propagación de una anomalía en la precipitación, a través de la sección terrestre del ciclo hidrológico para varias variables, (a) serie de tiempo sintética: 0 media, - anomalía negativa, + anomalía positiva, (b) serie de tiempo de la cuenca de Pang: P precipitación, Sr almacenamiento de la humedad del suelo en la zona de raíces, H nivel del agua subterránea y Q escorrentía. La propagación de eventos se indica con las flechas. Tomada de Van Loon (2015). 13 El déficit de humedad en el suelo ocasiona una disminución en la recarga de los sistemas de aguas subterráneas, que se evidencia en un declive de los niveles del agua subterránea, estos niveles dependen de las características en la recarga, descarga y almacenamiento de los acuíferos (Van Loon, 2015). Como la reacción de las aguas subterráneas al clima es generalmente retrasada y suavizada, las sequías en el agua subterránea no ocurren siempre, pero cuando sucede, exhiben un nivel por debajo del normal en largos periodos de tiempo (Van Loon, 2015). La propagación de sequías presenta las siguientes (Van Loon y Van Lanen, 2012) características: ▪ Agrupación: las sequías meteorológicas se combinan para conformar sequías hidrológicas prolongadas. ▪ Atenuación: las sequías meteorológicas se atenúan en los almacenamientos. ▪ Retardación: un retraso ocurre entre las sequías meteorológicas, de humedad del suelo e hidrológicas. ▪ Alargamiento: las sequías se alargan conforme se desplazan desde sequía meteorológica, humedad del suelo, hasta la sequía hidrológica. ▪ Para la caracterización de la duración, severidad y frecuencia de una sequía, en series de tiempo, se utiliza el método de nivel límite pre-definido (Van Loon, 2015). En términos generales, las sequías de humedad en el suelo y las sequías hidrológicas se deben a los siguientes aspectos (Van Loon y otros, 2016): ✓ Entradas bajas en el sistema hidrológico (como, por ejemplo, falta de lluvia, derretimiento de nieve o glaciares, irrigación, aportes del retorno de aguas residuales), ✓ Salidas altas en el sistema hidrológico (como, por ejemplo, evapotranspiración y aprovechamiento del agua por parte del ser humano). ✓ Almacenamiento limitado (en suelo, acuíferos, lagos y reservorios). Particularmente, respecto a las sequías hidrológicas, Van Loon y Van Lanen (2012) establecen 6 tipologías: i. Sequía clásica por déficit de lluvias ii. Sequía entre estación lluviosa a nieve. 14 iii. Sequía entre estación lluviosa y seca. iv. Sequía de la temporada de nieve fría. v. Sequía de la temporada de nieve cálida vi. Sequía compuesta. Además, las actividades humanas pueden influir en los procesos anteriores, por lo que pueden modificar la propagación de las sequías e incluso, ante la ausencia de conductores de sequías, pueden ser la causa directa (Van Loon y otros, 2016). Van Loon y otros (2016) proponen una tipología nueva denominada sequía por modificación del ser humano (Figura 4), para una sequía mejorada o aliviada producto de un proceso antropogénico, como por ejemplo la extracción de agua y el cambio de uso de la tierra. Figura 4: Propagación de sequía, incluyendo conductores y comentarios, naturales y antropogénicos. Las flechas negras indican influencia directa y las flechas grises comentarios. Tomado de Van Loon y otros, (2016). Van Lanen y otros (2013) (ver también Quesada-Montano, 2017) descubrieron que la cantidad de sequías en climas ecuatoriales y temperados, casi duplica la cantidad de sequías en climas polares y áridos, además señalaron que las características de una sequía hidrológica están controladas por el agua subterránea en climas con recarga alta (clima tropical, temperado y continental) y no por el tipo de suelo o clima. Y consecuentemente 15 observaron que una gran cantidad de sequías hidrológicas ocurren en sistemas de respuesta rápida. Un evento de sequía ocurre cuando el valor del flujo está por debajo de un umbral predefinido, entre las características de un evento están la frecuencia, duración y déficit de volumen de los eventos (Quesada-Montano, 2017). La frecuencia de una sequía se refiere a qué tan seguido ocurre una sequía, mientras que la severidad de una sequía se refiere a la fuerza de la sequía (Van Loon y Laaha, 2015). Otras características, propiamente para sequías hidrológicas, señaladas por Van Lanen y otros (2013), son la cantidad, duración y el déficit de volumen estandarizado. De acuerdo con Quesada-Montano (2017), de los tipos de sequías hidrológicas establecidas por Van Loon y Van Lanen (2012), en Costa Rica ocurren las que se detallan a continuación. Al respecto, Quesada-Montano y otros (2018) establecieron criterios para cada uno de los tipos de sequía hidrológica, con la finalidad de establecer una tipología objetiva y automatizada. • Sequía de precipitación clásica: es causada por un periodo sostenido con precipitación menor a la normal. • Sequía entre estación seca y húmeda: causadas por déficit de precipitación durante la estación lluviosa, que resultan en un re-abastecimiento insuficiente de la humedad del suelo y el agua subterránea, causando una sequía hidrológica que continúa en la estación seca. • Sequía compuesta: son el resultado de la combinación de diferentes mecanismos generadores. Además, Van Loon y Laaha (2015) indican que, para la predicción y la selección de regiones sensitivas a la sequía, es necesario conocer como la severidad de la sequía se relaciona con el clima y las condiciones de captura. Por condiciones de captura se refiere al almacenamiento en suelos, acuíferos y lagos, por ejemplo, la duración de la influencia de una sequía y el almacenamiento estacional en la nieve y los glaciares puede influenciar el déficit de sequías, por lo que la variación espacial de la severidad de una sequía hidrológica depende de los procesos hidrológicos terrestres, o bien, es lo mismo decir que la sequía hidrológica se determina a partir de la propagación de sequía meteorológica a través del ciclo hidrológico (Van Loon y Laaha, 2015). 16 De acuerdo con Van Loon y otros (2016), la severidad de una sequía es modificada fuertemente por el almacenamiento de la captura y el proceso de descarga, como por ejemplo tipo de suelo. Van Lanen y otros (2013), establece que los sistemas de agua subterránea controlan fuertemente las características de sequías hidrológicas para todos los tipos de clima, particularmente afectando la duración de los eventos de sequías extremas. Indicadores o índices de sequía Los índices son utilizados en estudios de propagación de sequías con la finalidad de comprender los procesos de propagación y el impacto, caracterizando los eventos de sequía en función de la sincronización, duración, severidad y extensión espacial (Van Loon, 2015). Liu y otros (2018) señalan que los indicadores más comúnmente utilizados para sequías e inundaciones son: Precipitation anomaly (Pa), PDSI, Soil relative humidity index, SPI, Z Index e Integrated meteorological drought index (IC). En el Cuadro 3 se muestran los índices de sequía comúnmente más utilizados, según los parámetros de entrada y el grupo temático. El SPI fue desarrollado por McKee y otros (1993), es el más utilizado, se basa en registros de periodos largos que se ajustan a una distribución de probabilidad, que luego se transforma a una distribución normal, asegurando una media de cero y una unidad de desviación estándar (Van Loon, 2015). El SPI también se calcula mensualmente, utilizando medidas de series de precipitación, de tal manera que los valores de SPI describan la sequía meteorológica al final del mes, causada por una desviación de la precipitación durante periodos de tiempo mensuales de 1, 2, 3, 6, 12, 24, 36 y 48, con relación al valor de la mediana o bien, los valores con 50 % de probabilidad (Łabędzki y Bąk, 2014). Se requiere normalizar la secuencia de precipitación con la siguiente ecuación de transformación 𝑓 (𝑃), donde x es el elemento de la secuencia de precipitación (Łabędzki y Bąk, 2014), como se muestra en la ecuación 1. 𝑓 (𝑃) = 𝑢 = √𝑥 3 [1] 17 Los valores de SPI para una P dada, se calculan de la siguiente ecuación (Łabędzki y Bąk, 2014). Donde 𝒇 (𝑷) corresponde con la suma de la precipitación transformada, ū es el valor medio de la secuencia de precipitación normalizada y 𝑑𝑢 es la desviación estándar de la secuencia de precipitación normalizada. 𝑆𝑃𝐼 = 𝑓 (𝑃)−ū 𝑑𝑢 [2] Respecto a la categorización de los valores de SPI en clases de sequía meteorológica, en la investigación de Łabędzki y Bąk (2014) se mencionan las establecidas en el Cuadro 1. Por su parte, el SPEI considera anomalías acumuladas del balance de aguas climático y de manera similar al anterior se procede ajustar a una distribución de probabilidad que luego se transforma a una distribución normal (Van Loon, 2015). El PDSI mide las salidas del balance de humedad en condiciones normales utilizando un modelo simple de balance de agua y puede considerarse un sistema de contabilidad hidrológico; el Z index es un índice similar, pero de humedad de suelo (Van Loon, 2015). Cuadro 1: Cuadros de diferentes autores para la categorización de las clases de sequía meteorológica según el valor de SPI. En la investigación de Vicente-Serrano y otros (2015), se realizó una comparación de la sensibilidad a la precipitación y evapotranspiración, de los índices, PDSI, Reconnaissance Drought Index (RDI), SPEI y SPDI para diferentes regiones del mundo. 18 Siendo el PDSI el que demostró la sensibilidad más baja a los datos climáticos, así como la menor correlación respecto a los demás índices, por lo que se consideró el menos apto entre los índices de sequía; mientras que el SPEI presentó la mayor sensibilidad a la variación de la evapotranspiración con patrones geográficos marcados y principalmente controlados por la aridez, por lo que se consideró el más apto. A partir de la justificación anterior se pretende aplicar el SPEI al presente proyecto, en lugar de otros índices. El SPI también se seleccionó, considerando que su metodología como se detallará más adelante es similar a la que origina el SGI que requiere como datos los niveles de agua subterránea. Otro índice utilizado es el RPI, que corresponde con la sumatoria de la precipitación para un periodo 𝑃 y el promedio a largo plazo de ese mismo periodo 𝑃 expresado en porcentaje, como se detalla en la siguiente ecuación (Łabędzki y Bąk, 2014). El índice RPI tiene cuatro clases de periodo (promedio, seco, muy seco y extremadamente seco) en función del porcentaje mensual o anual. 𝑅𝑃𝐼 = 𝑃 𝑃 ∗ 100 [3] Cuadro 2: Clases de periodos secos del índice RPI. Tomado de Leszek (2014). Periodo Porcentaje del promedio en: mes Cuarto, año Extremadamente seco 0 – 24.9 0 - 49.9 Muy seco 25.0 - 49.9 50.0 - 74.9 Seco 50.0 - 74.9 75.0 - 89.9 Promedio 75.0 - 125.9 90.0 - 110.9 Cuadro 3: Listado de índices utilizados para estudiar sequías. Tomado de Sadeghfam (2018). El SGI propuesto por Bloomfield y Marchant (2013) es una modificación del SPI que utiliza una transformación normal no paramétrica de los datos mensuales del nivel del agua subterránea. La investigación de Bloomfield y Marchant (2013) se realizó en Reino Unido, en acuíferos no confinados conformados por calizas y areniscas de diferentes periodos geológicos. La propuesta de Bloomfield y Marchant (2013) consideró que los hidrogramas de niveles de aguas subterráneas varían de las series de tiempo de precipitación en los siguientes criterios. i. El nivel del agua subterránea es una variable continua y no es necesario acumularla para un periodo de tiempo definido, como si se realiza con la precipitación. ii. Para el estudio de caso, se observó un patrón estacional más fuerte en los niveles de agua subterránea, que en los valores de precipitación acumulada. Este aspecto indica que los resultados del SGI podrían incluir sequías regulares durante la estación de verano, no obstante, esto se puede corregir al ajustar un modelo periódico de la variación anual de los niveles del agua subterránea. De esta manera, el proceso implementado por Bloomfield y Marchant (2013) se resume en los siguientes pasos. a. Seleccionar una función de distribución que mejor ajuste los datos. Esta función varía de acuerdo con la localidad, Bloomfield y Marchant (2013) utilizaron la función de ajuste normal, log-normal, gamma y distribución de valor extremo. b. Se estima el índice SGI mensualmente y se normaliza para formar un SGI continuo. c. Se calcula el SPI directamente de la serie de tiempo completa y no mensualmente. d. Se realiza una autocorrelación del SGI, así como una correlación del SGI y SPI. La correlación entre el SPI o SPEI y SGI es altamente variable, debido a que el efecto de la precipitación sobre los niveles de agua subterránea varía con el tiempo, producto del cambio en la humedad del suelo y el grado de saturación de la zona no saturada, o bien, a causa de cambios en la saturación del flujo de agua subterránea y descarga (Bloomfield y Marchant, 2018). 21 Los resultados de Bloomfield y Marchant (2013) revelaron una correlación lineal entre ambos índices que varió geográficamente. Bloomfield y Marchant (2013) concluyeron que la autocorrelación del SGI y la descripción del fenómeno de sequía en un acuífero dependen de la recarga del acuífero y del efecto de las características intrínsecas del acuífero. Por esta razón, se propone implementar este método en las diferentes áreas de estudio, donde ya existen condiciones descritas para cada uno de los acuíferos, que se caracteriza por ser no confinados y con litologías sedimentarias similares a los acuíferos estudiados por Bloomfield y Marchant (2013). De manera complementaria, Bloomfield y otros (2015) ampliaron la aplicación del SGI, al agrupar en conglomerados los hidrogramas que presentan fluctuaciones similares en las series de tiempo del SGI. Resultando en que los conglomerados reflejan una mejor correlación entre la media del SGI y el SPI. Bloomfield y otros (2015) identificaron que los diferentes conglomerados se deben a las propiedades de captura y el entorno hidrogeológico (incluyendo topografía, espesor del acuífero, extensión, espesor de la zona no saturada, entre otros) y que esta metodología permite cuantificar las diferencias regionales de la respuesta del agua subterránea a las sequías meteorológicas. La distribución de los datos disponible en la presente investigación podría sugerir la conformación de conglomerados a nivel de la Península de Nicoya, de esta manera se podrían comparar y describir las diferencias entre los acuíferos aluviales incluidos en el área de estudio. En la investigación de Lorenzo-Lacruz y otros (2017), se evaluó la correlación entre el SPI y el SGI, en acuíferos insulares del Mediterráneo, los resultados concuerdan con la correlación positiva obtenida por Bloomfield y Marchant (2013). Lorenzo-Lacruz y otros (2017) emplearon diferentes escalas temporales (menores 6 meses, entre 6 a 12 meses y mayores a 12 meses) e identificaron que las diferencias entre las respuestas de los acuíferos se deben a diferencias entre litologías y el porcentaje de capas permeables en las áreas de recarga acuífera. Así mismo, Lorenzo-Lacruz y otros (2017), señalaron que las diferencias en los meses y estaciones cuando el acuífero es más dependiente de la precipitación se deben a la estacionalidad climática y el grado de explotación del acuífero. 22 La investigación de Haas y Birk (2017), también estudiaba la correlación de los índices SPI y SGI para acuíferos aluviales en Austria. Los resultados evidenciaron que, en una misma cuenca, la correlación entre los índices es mayor en las partes bajas que en las partes altas, por cuanto los niveles del agua subterránea son más someros en la parte baja y en la parte alta generalmente existe un segundo acuífero más profundo (Haas y Birk, 2017). Además, Haas y Birk (2017) evaluaron la respuesta del acuífero a eventos extremos, las condiciones de sequía y abundante nieve provocaron una mayor correlación entre los índices, que las condiciones de poca nieve e inundaciones. Los autores indicaron que esta tendencia se debe a que los eventos de corta duración (menores a un mes), como lo son las inundaciones en esa zona, no se ven reflejados en todo el acuífero. De acuerdo con Li y otros (2020), una fortaleza del SGI es que es flexible en escalas de tiempo y caracteriza el estado real del agua subterránea, mientras que una debilidad es que el nivel del agua subterránea es el único dato requerido, por lo que no considera la interacción entre la escorrentía superficial y el agua subterránea. Esta debilidad podría no ser significativa en el área de estudio propuesta, ya que la escorrentía superficial solo ocurre en la estación lluviosa y durante la estación seca, muchas de las corrientes superficiales permanecen secas, hay una intermitencia característica de los cuerpos de agua en la zona. El SWI, fue propuesto por Bhuiyan (2004) considerando que en Aravallí (India), las corrientes y canales están generalmente secos y las actividades domésticas y agrícolas depende del recurso hídrico subterráneo, por lo que el SWI se propuso para escalar el déficit de la recarga del agua subterránea. Se define con la siguiente ecuación: 𝑆𝑊𝐼 = 𝑊𝑖𝑗− 𝑊𝑖𝑚 𝜎 [4] Donde 𝑊𝑖𝑗 es la profundidad del nivel de agua subterránea, 𝑊𝑖𝑚 es la media estacional y 𝜎 corresponde con la desviación estándar de la profundidad del nivel de agua subterránea. La categorización de las clases de sequía propuestas por Bhuiyan (2004) se muestra en el Cuadro 4. 23 Cuadro 4: Clasificación de sequías según los valores de SWI y la probabilidad relativa. Tomada de Sadeghfam (2018) y modificada de Bhuiyan (2004). SWI Designación de la intensidad de sequía Periodo de retorno (por definición) SWI ≤ 0.0 Sin sequía Tierras inundables 0 ≤ SWI ≤ 1 Sequía leve 3 años 1 ≤ SWI ≤ 1.5 Sequía moderada 11 años 1.5 ≤ SWI ≤ 2 Sequía severa 23 años 2 ≤ SWI Sequía extrema 44 años 24 5. Metodología 5.1. Tipo y enfoque de investigación La investigación es de tipo descriptiva y explicativa. Es descriptiva ya que se pretende establecer y delimitar características y entornos geológicos, hidrogeológicos, meteorológicos e hidrológicos de las cuencas. Y es explicativa porque pretende relacionar y explicar procesos atmosféricos y procesos de recarga del agua subterránea, a partir del cálculo de índices. También se puede categorizar como una investigación de tipo aplicada, ya que busca implementar indicadores para describir un proceso natural y dinámico, de tal manera que se cuente con instrumentos para identificar y resolver situaciones estacionales en cuanto a la disponibilidad del recurso hídrico. De manera concordante, el enfoque de investigación es mixto. Presenta un enfoque cuantitativo al implementar el cálculo de indicadores, así como el registro periódico de variables como lo son la precipitación, la temperatura y el nivel del agua subterránea. Mientras que involucra un enfoque cualitativo al describir condiciones y procesos naturales del entorno. 5.2. Diseño y fases de investigación Los objetivos están propuestos para que correspondan a una fase. El detalle de cada fase se describe a continuación: Fase 1: Identificación de los eventos de sequía. Para ello se requiere desarrollar las siguientes actividades: • Crear una base de datos con la información meteorológica proporcionada por el Instituto Meteorológico Nacional (IMN) y los niveles de monitoreo solicitados. • Visualizar los datos recolectados mediante gráficos en hojas electrónicas. • Establecer los niveles umbrales de sequía. • Describir la frecuencia, severidad cantidad, duración y el déficit de volumen estandarizado de las sequías. • Detallar las características de agrupación, atenuación, retardación y alargamiento: las sequías se alargan conforme se desplazan desde sequía meteorológica, humedad del suelo, hasta la sequía hidrológica. • Establecer los modelos de propagación de sequía para cada una de las cuencas. 25 • Identificación de las tipologías de sequías de cada una de las cuencas. Fase 2: Descripción de los sistemas de respuesta de las cuencas estudiadas. • Delimitar las cuencas hidrográficas • Describir las condiciones geológicas, hidrogeológicas, pendiente y cobertura del suelo para cada cuenca. • Descripción de las condiciones de captura. • Estimar y caracterizar la recarga de los acuíferos a partir de la metodología de Healey y Cook (2002). • Verificación y validación de las tipologías de sequía. • Identificación de los tipos de sistemas de respuesta en cada una de las cuencas. Fase 3: Cálculo de índices de sequía, a partir de la información meteorológica y niveles de agua subterránea, con el objeto de evaluar su funcionalidad como herramienta para el estudio de sequías hidrológicas. • Calcular índices de sequía: Standardized Precipitation Index (SPI), Standardized Precipitation and Evaporation Index (SPEI), Relative Precipitation Index (RPI), Standardized Groundwater Level Index (SGI) y Standardized Water-level Index (SWI). • Comparar y correlacionar espacialmente los resultados. • Identificar anomalías o correlaciones entre las condiciones del entorno hidrogeológico y los índices calculados. • Inter correlacionar y analizar entre sí los resultados de los índices mencionado y establecer su funcionalidad para estudiar las sequías hidrológicas. • Identificación de las limitaciones de los métodos. 26 6. Descripción de los sistemas de respuesta 6.1. Caracterización geofísica de las cuencas El área de estudio está conformada por tres cuencas hidrográficas. Las cuencas Panamá y El Coco, corresponden con cuencas costeras que descargan al océano Pacífico, mientras que la cuenca Sardinal corresponde con una cuenca continental que descarga en el río Palma (Figura 5). La cuenca Panamá tiene un área de 18.78 km2 y un perímetro de 26.12 km. Está conformado por dos colectores principales: el estero Rocha al norte de la cuenca, donde descarga la quebrada Sardina y la quebrada Grande; y el estero Panamá al sur de la cuenca donde descarga la quebrada Pita y la quebrada Espabel. La topografía va desde el nivel del mar hasta los 164 msnm; morfológicamente presenta un relieve aluvial plano donde drenan los cauces principales y unas colinas que corresponden al sector montañoso, cuyas laderas presentan pendientes (Figura 6) que superan los 30° y cuyas cimas presentan un relieve plano. Mientras que, la cuenca El Coco tiene un área de 19.51 km2 y un perímetro de 22.14 km. También está conformada por dos colectores principales, una quebrada sin nombre al este que drena en Playas del Coco y la quebrada San Francisco, donde drenan las quebradas Alcornoque y Cabo de Hacha. La topografía alcanza los 275 msnm y morfológicamente la cuenca se divide entre la zona aluvial con pendientes al nivel del mar y la zona montañosa con pendientes entre 30 y 60° (Figura 6). Por su parte la cuenca Sardinal delimitada para este proyecto tiene un área de 96.64 km2 y un perímetro de 58.52 km. El colector principal corresponde con el río Sardinal y la elevación varía entre los 50 y los 250 msnm. Similar a las cuencas anteriores, la cuenca presenta una zona aluvial asociada al río Sardinal y el río Brasilito con algunos cerros aislados dentro de la llanura, así como un sector montañoso con pendientes entre los 30 y 60° (Figura 6). 27 Figura 5: Mapa del modelo de sombra de las cuencas en estudio. Figura 6: Mapa de la distribución de las pendientes en el área de estudio. 28 En cuanto al uso del suelo, se realizó una fotointerpretación de la imagen satelital disponible en Bing y se identificaron cuatro coberturas de suelo (Figura 7). La tipología de la cobertura boscosa se extiende principalmente en el sector montañoso de las cuencas, siendo la de mayor extensión, abarcando un área de 134.93 km2, que corresponde con un 77.84% del área de estudio. Figura 7: Mapa de cobertura de suelo del área de estudio. Se estableció una cobertura denominada cobertura potrero, donde se incluyen las zonas de pastos y zonas denudadas, que presuntamente corresponden con actividades agropecuarias o bien, son zonas en transición de cobertura para residencial. Estos potreros corresponden con 18.44 km2, aproximadamente un 13.67% del área de estudio y se sitúan en la zona aluvial y en la zona montañosa. La cobertura residencial, corresponde con un total de 5.72 km2 y un 4.24% del área de estudio. En esta categoría se incluyen casas habitacionales, poblados, vías y accesos, así como hoteles y zonas comerciales. Esta cobertura se desarrolla principalmente en zona aluvial, no obstante, en las zonas costeras existe una migración de las zonas residenciales a las laderas del sector montañoso. 29 Existe una zona estrictamente agrícola y exclusivamente en la cuenca Sardinal, que corresponde con 5.68 km2 y un 4.21% del área de estudio. Esta zona forma parte de la zona de riego del río Tempisque. La restante área corresponde con menos de 1 km2 que corresponde con reservorios de agua cerca de la zona agrícola. 6.2. Condiciones geológicas de las cuencas De acuerdo con el mapa geológico de la hoja cartográfica Carrillo Norte (Denyer y otros, 2013), en el área de estudio se extienden principalmente la siguiente estratigrafía (ver Figura 8): ✓ Depósitos del Cuaternarios (aluviales, terrazas aluviales, coluviales y de playa arenosas) ✓ Formación Bagaces Superior ✓ Formación Bagaces Medio ✓ Complejo de Nicoya (basaltos, radiolaritas e Intrusivo Potrero) Figura 8: Mapa geológico de las cuencas en estudio. Tomado de Denyer y otros (2013). 30 El Complejo de Nicoya es definido por Denyer y otros (2013) como una secuencia de afinidad oceánica, compuesta por rocas ígneas, tanto volcánicas como intrusivas y radiolaritas que conforman el basamento regional y son parte de una secuencia ígnea que constituyen el Caribbean Large Igneous Province (CLIP), que se refiere al evento magmático que abarcó la región Caribe como resultado de la influencia de un punto caliente. Denyer y otros (2013) establecen 5 unidades geológicas, basaltos del Complejo de Nicoya, radiolaritas del Complejo de Nicoya, Intrusivo Potrero, Plagiogranito Ocotal y Komatitas Tortugal, siendo de relevancia en esta investigación las tres primeras, por cuanto afloran en las áreas de estudio. Complejo de Nicoya – Basaltos: es la unidad con mayor distribución y afloran en forma de flujos de basaltos masivos, cruzados por varias generaciones de fracturas y vetillas de zeolitas y sílice; también aflora en estructuras de almohadilla y microalmohadillas con una corteza de hialoclastita fracturada, fracturas radiales (Denyer y otros, 2013). A los basaltos también se asocian brechas de explosión o autobrechas; así como basaltos toleíticos de grano fino, generalmente afíricos y que pueden presentar vetillas de calcedonia, zeolitas, ópalo y calcita en pocas ocasiones (Denyer y otros, 2013). La edad de acuerdo con dataciones radiométricas 40Ar/39Ar evidencia los siguientes intervalos de tiempo: ✓ 139-133 Ma, Berriasiano – Hauteriviano (según Hoernle y otros, 2004 (en Denyer y otros, 2013). ✓ 119-111 Ma, Aptiano-Albiano (según Hoernle y otros, 2004) (en Denyer y otros, 2013). ✓ 95-88 Ma, Cenomaniano – Turoniano (Sinton y otros, 1997 y Hauff y otros, 2000) (en Denyer y otros, 2013). Su génesis corresponde con un evento magmático regional intenso, originado cuando la placa Farallan (posteriormente originó las placas Nazca y Cocos), pasó por un punto caliente, ocasionando intrusiones y derrames lávicos. Complejo de Nicoya – Radiolaritas: son descritas como estratificaciones de rocas sedimentarias de grano fino a muy fino, de origen pelágico, duras y con coloraciones entre rojo, verde, amarillo, blanco, gris hasta negro (Denyer y otros, 2013). 31 En cuanto a la edad, Denyer y Baumgartner (2006) (en Denyer y otros, 2013) indican una secuencia entre el Jurásico Medio al Cretácico Superior y una secuencia de ferro- radiolaritas del Cretácico Superior (Santoniano-Campaniano). Respecto a su génesis, Denyer y Baumgartner (2006) consideran que las radiolaritas se depositaron sobre un fondo oceánico antiguo; durante los eventos magmáticos del CLIP las radiolaritas todavía húmedas y plásticas, fueron despegadas del sustrato y llegaron a incorporarse dentro de las masas ígneas. Intrusivo Potrero: Denyer y otros (2013) la describen como un cuerpo instrusivo compuesto por gabros, microgabros y doleritas; intruye los basaltos y radiolaritas del Complejo de Nicoya y de acuerdo con Denyer y Baumgartner, 2006 y Denyer y Gazel, 2009 (en Denyer y otros, 2013) estas rocas en su conjunto muestran un plateau de tierras raras con una misma fuente mantélica. La edad reportada por Sinton y otros, (1997) varía entre 84 a 83 Ma (Santoniano). Respecto a la Formación Bagaces Denyer y otros (2013) la divide en cuatro unidades o miembros; Dacita Carbonal, Miembro Bagaces Inferior, Miembro Bagaces Medio y Miembro Bagaces Superior. En el área de estudio del presente proyecto solamente afloran los últimos dos. El Miembro Bagaces Medio descrito por Denyer y otros (2013) yace discordantemente sobre el Complejo de Nicoya y presenta una edad estimada entre 3 y 4 Ma (Mioceno Superior - Plioceno); corresponde con un espesor superior a los 30 m de depósitos fluviales y fluvio – lacustres del paleo – Tempisque y otros ríos asociados, que litológicamente se refiere a tobas grises y blancas intercaladas con conglomerados decimétricos de clastos bien redondeados y capas de pómez de caída. Por su parte, el Miembro Bagaces Superior es descrita por Denyer y otros (2013) como flujos piroclásticos con una edad que varía entre 3.21 y 2.0 Ma (Plio – Pleistoceno); litológicamente corresponden con ignimbritas con fiammes grandes y pómez grandes de color blanco y amarillento, con diferentes grados de soldamiento, así como variable grado y tipo de alteración. Los Depósitos Cuaternarios, están constituidos por gravas, arenas, limos, arcillas y sedimentos lacustres, ignimbritas, tobas conglomeráticas a cineríticas depositadas en agua (Ramos, 2008). 32 De acuerdo con Gómez (2005) abarcan los depósitos de playa, de origen fluvial y coluvial, cuyo origen es por transporte del material proveniente de los cerros correlacionado geológicamente con el Complejo de Nicoya. Según Gómez (2005) estos depósitos presentan lentes arcillosos y granulometrías medias a finas. Murillo (2007) por su parte indica que los Depósitos Cuaternarios se dividen en depósitos costeros asociados a planicies litoral y sistemas estuarinos; y en depósitos continentales asociados a sistemas fluviales y coluviales. Arredondo (2009) señala que los Depósitos del Cuaternario corresponden con materiales no consolidados constituidos por depósitos de arenas y gravas provenientes de fragmentos de las rocas dominantes del Complejo de Nicoya, que se depositan en las zonas planas producto de la acción marina y desembocadura de las quebradas. 6.3. Condiciones hidrogeológicas de las cuencas En el Cuadro 5, Cuadro 6 y Cuadro 7, se registran las características principales de los modelos conceptuales hidrogeológicos de cada una de las cuencas, de acuerdo con la revisión de los pozos registrados que presentan información litológica e hidrogeológica. En la Figura 9, se muestran los acuíferos superficiales delimitados en la zona de estudio por SENARA. Para el presente proyecto, el monitoreo del nivel del agua subterránea corresponde con los acuíferos aluviales, conocidos como acuífero Panamá, Coco y Sardinal. 6.3.1. Acuíferos en la cuenca Playa Panamá En el perfil hidrogeológico de la cuenca Playa Panamá (Figura 10), se muestran los 3 niveles de agua subterránea correspondientes a las unidades hidrogeológicas delimitadas en el Cuadro 5. El perfil se extiende desde la divisoria de la quebrada Grande, donde mediante los pozos CN-593 y CN-331 se visualiza un nivel de agua confinado en las tobas e ignimbritas de la Fm. Bagaces. Luego el perfil corta el Estero Rocha y el Estero Panamá, donde se exhibe el nivel freático del acuífero aluvial; entre ambos esteros, también es posible observar el nivel freático en los basaltos del Complejo de Nicoya. 33 Figura 9: Mapa de acuíferos aluviales y perfiles hidrogeológicos en el área de estudio. Arredondo (2009) identifica cuatro tipos de acuífero con el siguiente detalle: 1. Acuífero asociado a las rocas intrusivas del Complejo de Nicoya que corresponden con un bajo potencial acuífero. 2. Acuífero asociado en los basaltos del Complejo de Nicoya que se caracteriza por presentar niveles poco profundos y caudales de bajo rendimiento. 3. Acuífero aluvial costero caracterizado por presentarse en un medio poroso constituido principalmente por arenas, arcillas, limos y gravas, de tipo libre con niveles poco profundos de 5 a 7 m, que recargan por infiltración directa de la lluvia y por aporte lateral de las formaciones geológicas adyacentes. 4. Acuífero fisurado en las ignimbritas de la Formación Bagaces descritos en rocas poco permeables con bajo rendimiento. De acuerdo con Dordmond (2021) la Fm. Bagaces constituye un acuífero secundario o acuitardos capaces de recargar el acuífero aluvial mediante recarga lateral. Según la revisión de Dordmond (2021) los pozos que captan este acuífero en el sector central y de 34 mayor altitud de la meseta, extraen entre 0.4 y 1.75 l/s, mientras que los pozos del borde y menor altitud extraen entre 12 y 18.6 l/s. Cuadro 5: Modelo conceptual hidrogeológico en la cuenca Playa Panamá Figura 10: Perfil hidrogeológico de la cuenca hidrográfica Playa Panamá. De acuerdo con Murillo (2008) el acuífero aluvial presenta espesores entre los 12.90 y 27.40 m, que tiende a disminuir en la zona costera. Murillo (2007) interpreta que el acuífero de Playa Panamá está constituido principalmente por conglomerados angulares en la zona Características Acuífero aluvial Panamá Acuífero Bagaces Acuífero Complejo Nicoya Litología predominante Arenas y gravas de diferente granulometría Tobas Basaltos Espesor (m) Variable entre 3 y 23 m Entre 11 y 40 m Variable entre 17 y 106 m Profundidad del agua (mbns) A partir de los 3 m Entre 8 y 25 m de profundidad Variable 5 y 68 m. Además, se caracteriza por presentar abatimientos importantes. Grado de confinamiento hidráulico Libre cubierto Semiconfinado libre cubierto Cobertura Suelo arcillo arenoso, puede estar cubierto por algunas capas de arenas no saturadas Suelo arcilloso y algunas capas de tobas sin saturar Suelo, depósitos aluviales y tobas Unidad subyacente Tobas de la Fm Bagaces y Basaltos del Complejo de Nicoya. En algunas ocasiones hay pozos que combinan niveles del acuífero aluvial y del Complejo de Nicoya. Basaltos del Complejo de Nicoya No aplica Unidad litológica Depósitos aluviales Tobas e ignimbritas Basamento oceánico Formación Depósitos recientes Formación Bagaces Complejo de Nicoya Edad Holoceno Plio-Pleistoceno Cretácico Pozos reportados CN-291, CN-231, CN-156, CN- 547, CN-96, CN-477, CN-259, CN-281, CN-284, CN-283, CN- 86, CN-484, CN-336 CN-331, CN-314, CN- 533, CN-593, CN-621, CN-125, CN-124 CN-590, CN-626, CN-512, CN-509, CN-503, CN-560, CN-386, CN-122, CN-232, CN-116, CN-537 35 continental, que sobreyacen el Complejo de Nicoya; esta unidad acuífera se encuentra sobreyacida por una capa arcillosa que permite una condición de semiconfinamiento relativo. Murillo (2008) considera el acuífero de Playa Panamá en la zona litoral como una unidad heterogénea, compuesta principalmente por arenas gruesas y guijarros. El acuífero aluvial, está caracterizado por una heterogeneidad textural de los depósitos costeros y continentales; además indica que el Complejo de Nicoya corresponde con un acuífero secundario con un mayor potencial hídrico a lo largo de los rasgos estructurales regionales (Murillo, 2008). Con fundamento en las pruebas de bombeo de pozos, Murillo (2007) indica que el acuífero presenta una transmisibilidad promedio de 1883 m2/día. Para el acuífero aluvial de la cuenca de Playa Panamá, Dormond (2021) obtuvo valores promedio de transmisividad de 494 m2/día, coeficiente de almacenamiento de 0.024 y conductividad hidráulica de 27.4 m/d; empleando la metodología de eficiencia mareal de Todd y Mays (2005). De acuerdo con Vargas (2016) el acuífero Panamá presenta una transmisividad de 395 m2/día y una capacidad específica de 3.7 l/s/m; con un caudal máximo a explorar de 6 l/s y se trata de un acuífero libre en materiales aluviales arenosos y de recarga directa. Señala además que el basamento del acuífero corresponde con los basaltos del Complejo de Nicoya, el cual en el sector del piezómetro CN-736 no se muestra muy fracturado y que se comporta como acuífugo. La calidad del agua está condicionada por la presencia de minerales conformando aguas duras debido a una intrusión salina. Además, Dormond (2021) concluye que, para este acuífero, la recarga neta del acuífero obtenida con el método WTF para el año 2017 corresponde con un 2.07% de la precipitación anual. Arredondo (2009) indica que durante la época de estiaje (febrero – abril) e incluso agosto del 2009, en las quebradas principales y en el estuario, no existe flujo de agua y se encuentran secos; si existe un aporte de agua salada al estuario, durante las mareas altas. 6.3.2. Acuíferos en la cuenca Coco El perfil hidrogeológico de la cuenca Coco (Figura 11) es paralelo a la línea de costa y exhibe un corte de divisoria a divisora, mostrando la zona aluvial y la continuidad del nivel de agua subterránea. Este perfil evidencia la interacción entre la unidad hidrogeológica aluvial y la unidad hidrogeológica de los basaltos, que se puede interpretar como un solo 36 acuífero continuo que abarca 2 litologías y que corresponde con un acuífero en un medio poroso y en un medio fracturado. Gómez (2005) indica que el acuífero Coco, es de tipo libre con un espesor promedio de 13 m, conformado por gravas, arenas, bloques y arcillas. El acuífero aluvial Coco recarga directamente de la precipitación que infiltra en los Depósitos Cuaternarios y recibe una recarga lateral proveniente desde los basaltos y radiolaritas del Complejo de Nicoya (Gómez, 2005). Para el acuífero Coco, Dormond (2021) obtuvo valores promedio de transmisividad de 795 m2/día, coeficiente de almacenamiento de 0.034 y conductividad hidráulica de 31.8 m/d; empleando la metodología de eficiencia mareal. La clasificación del agua para el acuífero Coco, corresponde con aguas tipo bicarbonatadas cálcico – magnésicas (Gómez, 2005). De acuerdo con Gómez (2005) entre los meses de septiembre, octubre y mediados de noviembre las quebradas cuentan con un flujo base, mientras que durante la estación seca las quebradas no presentan flujo, el resto de los meses de la estación lluviosa el agua escurre superficialmente. Y de acuerdo con las líneas isofreáticas y los aforos, obtenidas por Gómez (2005) en mediciones de campo, algunas líneas de flujo descargan hacia las quebradas de la cuenca, particularmente la quebrada Alcornoque es efluente y produce una descarga diaria de 207 l/s, mientras que la quebrada San Francisco también es efluente y produce una descarga diaria de 36 l/s. Esto se puede evidenciar con el carácter intermitente en diferentes tramos de la quebrada San Franciscos dictaminados por la Dirección de Agua el MINAE (IMN-DA-3390- 2009, AT-1626-2012, AT-0557-2013, DA-UHTPNOL-0034-2017 y DA-UHTPNOL-0744- 2018), así como en la quebrada Alcornoque (AT-1266-2012, DA-UHTPN-OB-0093-2016 y DA-UHTPNOL-0018-2020). Para el acuífero Coco, la recarga neta del acuífero obtenida con el método WTF para el año 2017 corresponde con un 1.49% de la precipitación anual (Dormond, 2021). Con la información obtenida mediante tomografías eléctricas, Gómez (2005) indicó que no se pudo comprobar la presencia de intrusión salina dentro del acuífero. 37 Cuadro 6: Modelo conceptual hidrogeológico en la cuenca Coco. Figura 11: Perfil hidrogeológico de la cuenca hidrográfica Coco. 6.3.3. Acuíferos en la cuenca Sardinal Por su parte, el perfil hidrogeológico de la cuenca Sardinal es un perfil longitudinal de la cuenca y paralelo al colector principal, el río Sardinal. De acuerdo con la Figura 12, hay una continuidad de las condiciones hidrogeológicas a lo largo de toda la cuenca, al igual que en el perfil hidrogeológico de la cuenca El Coco, existe una mezcla de unidades hidrogeológicas, de tal manera que el acuífero se encuentra en los depósitos aluviales y en los basaltos someros del Complejo de Nicoya, comportándose como un solo acuífero en dos medios geológicos, uno poroso y otro fracturado. Características Acuífero aluvial Coco Acuífero Complejo Nicoya Litología predominante Material aluvial, constituido por gravas y arena Basaltos Espesor (m) 4-41 m 10 a 60 m Profundidad del agua (mbns) 2 – 14.5 m 4 a 14 m Grado de confinamiento hidráulico Libre cubierto Libre cubierto Cobertura Suelo y materiales arcillosos Suelos, arenas y gravas, basaltos Unidad subyacente Complejo Nicoya No aplica Unidad litológica Depósitos aluviales Basamento oceánico Formación Depósitos recientes Complejo Nicoya Edad Holoceno Cretácico Pozos reportados CN-260, CN-289, CN-277, CN- 524, CN-425, CN-432, CN-472, CN-311, CN-97, CN-68, CN-162, CN-161, CN-615, CN-409, CN- 399, CN-549, CN-430, CN-365. CN-526, CN-419, CN-368, CN-388, CN-115, CN-604, CN-540, CN-539, CN-546, CN-579, CN-638, CN-550, CN-342, CN-343, CN-344, CN-383, CN-529, CN-567, CN-618, CN-530, CN-504, CN-523, CN-651, CN-552, CN-159 38 Echandi (2000) (en Ramos, 2008) indica que el acuífero Sardinal corresponde con un acuífero estratificado constituido por tramos aluvionales de mediana a alta permeabilidad localizados entre horizontes de menor permeabilidad, originados en arenas de textura media a fina, con limo y arcilla. Ramos (2008) indica una permeabilidad de 20 m/día con un espesor promedio de 50 m y una transmisibilidad de 1000 m2 / día, así como una capacidad específica de 25 m3 / h / m. Además, las isofreáticas del acuífero aluvial presentan una dirección hacia el río Tempisque. Cuadro 7: Modelo conceptual hidrogeológico en la cuenca Sardinal. Figura 12: Perfil hidrogeológico de la cuenca hidrográfica Sardinal. Características Acuífero aluvial Sardinal Acuífero Complejo Nicoya Litología predominante Material aluvial inconsolidado, constituido por gravas y limos Basaltos Espesor (m) 7-35 m 27-76 m Profundidad del agua (mbns) 6.78 – 15 m 6.77 a 70 Puede presentar varios niveles Grado de confinamiento hidráulico Libre cubierto Libre cubierto Cobertura Suelo y materiales aluviales Suelos, arenas y gravas, basaltos Unidad subyacente Complejo Nicoya No aplica Unidad litológica Depósitos aluviales Basamento oceánico Formación Depósitos recientes Complejo Nicoya Edad Holoceno Cretácico Pozos reportados CN-87, CN-258, CN-619, CN- 477, CN-85, CN-224, CN-254, CN-605 CN-641, CN-614, CN-653, CN-457, CN-613, CN-2, CN-612, BE-315, CN-619, CN-581, CN-596, CN-718, CN-223, CN-659, BE-340, CN-440, CN-341, CN-616, CN-382, CN-640, CN-639, CN-638, CN-668, CN-4, CN-592, CN-257, CN-400, CN-464, 39 En el estudio hidrogeológico de Ramos (2008), se realizaron aforos diferenciales (en el mes de enero) en el río Sardinal y su afluente el río Brasil y determinaron que se presentan tramos efluentes (964.1 l/s) e influentes (859 l/s). No obstante, de acuerdo con SINIGIRH, los dictámenes con oficio N° DA-UHTPNOL-0601-2019, DA-UHTPN-OB-0259-2016 y DA- UHTPN-OB-0260-2016, el río Sardinal tiene un carácter intermitente. De acuerdo con Schosinsky (2008), la recarga del acuífero es de 1 145.2 l/s y ocurre por infiltración de lluvia en los depósitos Cuaternarios y el Complejo de Nicoya, donde el 63.3% de la recarga ocurre en el Complejo de Nicoya y el restante en la zona aluvial; además el autor indica que un 52 % de esa recarga, sale de la cuenca como flujo base del río Sardinal. En el estudio hidrogeológico preparado por SENARA (2008) se establecieron tres zonas donde se obuvieron parámetros hidráulicos a través de pruebas de bombeo: • Los aluviones en Sardinal y en la cuenca baja del río Brasilito, se caracterizan por presentar una transmisibilidad media de 3 631 m2/día y coeficientes de almacenamiento que oscilan entre 0.021 y 0.001. • Los aluviones al oeste de Artola, presentan una transmisibilidad media de 418 m2/día. • Los basaltos y radiolaritas reportan transmisividades bajas entre 11 a 63 m2/día y capacidades específicas de 0.7 a 1.3 l/s/m. 6.4. Recarga de acuíferos (Metodología Healey y Cook, 2002) Healey y Cook (2002) desarrollan el método de las fluctuaciones del nivel del agua (WTF, siglas en inglés), que utiliza datos del monitoreo del agua subterránea y el rendimiento específico, para calcular la recarga. Los autores se fundamentan en la siguiente ecuación (5): 𝑅 = 𝛥𝑆𝑔𝑤 + 𝑄𝑏𝑓 + 𝐸𝑇𝑔𝑤 + 𝑄𝑜𝑓𝑓 𝑔𝑤 − 𝑄𝑜𝑛 𝑔𝑤 [5] Donde R se refiere a la recarga; 𝛥𝑆𝑔𝑤 corresponde al cambio del almacenamiento subsuperficial; 𝐸𝑇𝑔𝑤 es la evapotranspiración del agua subterránea y el término 𝑄𝑜𝑓𝑓 𝑔𝑤 − 𝑄𝑜𝑛 𝑔𝑤 se refiere al flujo subsuperficial neto del área de estudio, incluyendo el bombeo que se produce en el acuífero. 40 Asumiendo que, cuando ocurre la recarga, el agua que alcanza el nivel del agua subterránea se almacena de inmediato y en un lapso, donde los componentes de la ecuación 5 tienden a cero. De tal manera, que los incrementos en los niveles del agua subterránea en acuíferos inconfinados se deben a una recarga que se calcula con la siguiente ecuación (6 𝑅 = 𝑆𝑦 𝛥ℎ 𝛥𝑡⁄ [6] Donde R es la recarga; Sy es el rendimiento específico; Δh se refiere al cambio de la altura del nivel del agua en un hidrograma y t corresponde con el tiempo. Para determinar el cambio de la altura, se debe graficar el hidrograma del nivel del agua en escala temporal, y se debe seleccionar el punto de mayor amplitud en el hidrograma, así como extrapolar el punto más bajo de la curva de recesión anterior al mismo tiempo; la distancia entre ambos puntos corresponde con el cambio de altura. La metodología exhibe las siguientes limitaciones (Healey y Cook, 2002): • El trazo de la curva de recesión anterior puede ser subjetivo y además se pueden presentar muchas curvas en registros extensos. • Las tasas de recarga obtenidas en diferentes pozos pueden variar, y se pueden extrapolar al acuífero en su totalidad dependiendo de que tan representativo es el pozo respecto el acuífero. • El método aplica para acuíferos someros donde se evidencie con claridad el contraste entre los aumentos y descensos del nivel del agua subterránea. Por esta razón se recomiendan lapsos de tiempo de horas y días. De acuerdo con Fetter (2001), el rendimiento específico es igual que el coeficiente de almacenamiento en acuíferos libres. Por lo tanto, se utilizaron los coeficientes de almacenamiento indicados en las referencias bibliográficas y se seleccionaron los eventos con respuestas significativas del nivel freático para obtener el parámetro 𝛥ℎ 𝛥𝑡⁄ . Los resultados de la recarga se muestran en el Cuadro 8. Para la cuenca Panamá se obtuvo una recarga de 0.17 m durante el 2019, en el 2020 la recarga fue de 0.18 muy similar al 2019. Mientras que en el 2021 la recarga fue la más baja con un valor de 0.08 m y en el 2022 se calculó una recarga de 0.11 m. 41 Para el acuífero Coco, en junio la recarga fue de 0.13 m y en octubre de 0.09 m, para un total de 0.22 m durante los eventos del 2019 del grupo A de pozos. Para el grupo B la recarga entre ambos eventos fue de 0.58 m. En los eventos del 2020 el grupo A de pozos recargó un total de 0.18 m, mientras que el grupo B de pozos recargó 0.26 m. Durante el 2021 el grupo A de pozos recargó 0.23 m y el grupo B recargó un total de 0.55 m. Finalmente en los eventos del 2022, los pozos del grupo A recargaron 0.21 m, mientras que los pozos del grupo B recargaron 0.41 m. Respecto al acuífero Sardinal en los eventos del 2018 se recargó 0.03 m, en los eventos del 2019 recargaron 0.07 m, en el 2020 recargó 0.08 m, en el 2021 recargó 0.11 m y en el 2022 se recargó 0.09 m. Cuadro 8: Resultados de la recarga en los eventos seleccionados para cada una de las cuencas. Cuenca Evento Rango temporal Sy Δh/Δt Recarga (m) Panamá 1 dic-18 jul-19 0.024 4.19 0.10 Panamá 2 jul-19 nov-19 0.024 3.09 0.07 Panamá 3 nov-19 nov-20 0.024 7.33 0.18 Panamá 4 nov-20 sep-21 0.024 3.51 0.08 Panamá 5 dic-21 ago-22 0.024 4.74 0.11 Coco 1 - Grupo A oct-18 jun-19 0.034 3.91 0.13 Coco 1 - Grupo B oct-18 jun-19 0.034 8.20 0.28 Coco 2 - Grupo A jun-19 oct-19 0.034 2.61 0.09 Coco 2 - Grupo B jun-19 oct-19 0.034 8.90 0.30 Coco 3 - Grupo A oct-19 ago-20 0.034 3.91 0.13 Coco 3 - Grupo B oct-19 ago-20 0.034 7.78 0.26 Coco 4 -Grupo A ago-20 nov-20 0.034 1.45 0.05 Coco 5 - Grupo A nov-20 oct-21 0.034 6.72 0.23 Coco 5 - Grupo B nov-20 oct-21 0.034 16.14 0.55 Coco 6 - Grupo A oct-21 ago-22 0.034 6.28 0.21 Coco 6 - Grupo B oct-21 ago-22 0.034 11.95 0.41 Sardinal 1 oct-17 may-18 0.011 1.34 0.01 Sardinal 2 may-18 oct-18 0.011 2.13 0.02 Sardinal 3 oct-18 may-19 0.011 1.89 0.02 Sardinal 4 may-19 oct-19 0.011 4.53 0.05 Sardinal 5 oct-19 nov-20 0.011 7.21 0.08 Sardinal 6 nov-20 nov-21 0.011 10.37 0.11 Sardinal 7 nov-21 jul-22 0.011 8.55 0.09 42 7. Caracterización de sequías 7.1. Meteorología y disponibilidad de datos Para el área de estudio, el IMN dispone de las estaciones meteorológicas que se muestran en la figura, siendo las estaciones Culebra - Papagayo, ASADA Artola, Miel La Guinea, Santa Cruz y San José – Pinilla, las más cercanas a las cuencas en análisis. En la Figura 13 se visualiza la ubicación de las estaciones meteorológicas con respecto