viernes, 3 de abril de 2020

Experimentos para investigar un epikarst: los resultados y su significado


Introducción
Para el estudio de los pozos verticales formados por disolución de la roca calcárea por agua procedente de las precipitaciones, se supone que el epikarst juega un papel crucial. En el epikarst se acumula una cierta cantidad de agua, que luego infiltra poco a poco, y de lo cual una parte se suele concentrar hacia las fisuras más anchas. Como casi todos los sistemas naturales, también el epikarst es muy complejo y los factores que influyen son múltiples.

Creo que el artículo de Sheffer y coautores (2011)*nota es un muy buen ejemplo de un estudio detallado del epikarst que nos puede enseñar muchos aspectos del mismo. Su punto diferenciador, respecto a otros estudios donde miden el goteo de las estalactitas, es que aquí se ha medido la cantidad total de agua procedente de varios centenares de puntos de goteo.
En su artículo se describen tres experimentos muy interesantes, el primero está basado en la precipitación natural durante la época húmeda, el segundo consiste de tres irrigaciones artificiales donde en la última se ha incorporado un experimento con trazadores.

Este dibujo muestra la Cueva Sif (Israel) en perfil. Aquí se ha realizado un experimento de epikarst, midiendo la cantidad de goteo en la cueva
Perfil de la cueva Sif, donde se ha realizado el experimento. Adaptación de la figura 2C del artículo original.

En esta entrada se describe primero los elementos involucrados en los experimentos y después los propios experimentos, sus interpretaciones y las conclusiones de los autores. Al final quiero añadir unos comentarios respecto a los resultados y conclusiones. No quiero insinuar que los autores los han pasado por alto, pero es probable que no los han tratado por considerarlos de menor importancia o porque están abiertas a cierta especulación.

*nota  Sheffer et al, 2011  Integrated cave drip monitoring for epikarst recharge estimation in a dry Mediterranean area, Sif Cave, Israel. Hydrological Processes, Volume 25, Issue 18. Este título se pudiera traducir como: Monitorización integrada del goteo (del techo de una cueva) para poder estimar la recarga del epikarst, en una zona seca del Mediterráneo, Cueva Sif, Israel). Se puede descargar en academia.edu, aunque hay que abrir una cuenta. También se leer online la tesis doctoral de Sheffer, donde se puede encontrar la misma información.

 
Descripción de los elementos involucrados en los experimentos
A continuación se da una descripción de los elementos importantes que juegan un papel en los experimentos.

El Lugar
El sitio se encuentra a unos cincuenta kilómetros al noroeste de Jerusalén (Israel), en la zona de recarga del acuífero WMA (Western Mountain Aquifer), que es el más grande del país con un área de recarga de 2200 km2. El nivel freático se encuentra a una profundidad de unos 100 metros.

La cueva
La cueva consiste prácticamente en su totalidad de una sola sala redonda, con un diámetro de unos 27 metros (570 m2). El techo de la sala se encuentra a una altura de entre 2 y 7 metros y a su vez entre 3 y 11 metros por debajo de la superficie. Hay algunas chimeneas que llegan hasta 3 metros por debajo de la superficie. Hay zonas con varios centenares de  puntos de goteo. La cueva tiene una entrada grande que está tapada para proteger el ambiente de la cueva. La roca entre el techo y la superficie  se puede considerar como perteneciente al epikarst.

La roca
Se trata de una caliza dolomítica, que las fuerzas tectónicas y la erosión han devuelto a la superficie, después de haber estado a gran profundidad, enterrada bajo otras rocas y sometida a procesos de compactación (rocas telogenéticas). El resultado es que hoy en día se trata de una roca prácticamente sin matriz (= el espacio entre los granos que componen la roca) y con fisuras estrechas y relativamente distantes (separación entre 0,5 a 5 metros). La estratificación es masiva y con una ligera inclinación de algunos grados hacia el ONO (WNW).

El suelo
Por encima de la roca hay un suelo de tipo terra rossa, con un grosor de 60 a 70 cm. Al final del verano el suelo tiene un 17% de humedad, lo cual equivale al punto de marchitez (=punto de humedad mínima en el cual una planta no puede seguir extrayendo agua del suelo, definición de Wikipedia). Por otro lado, el punto de capacidad de campo (= un suelo saturado) es alcanzado cuando la humedad llega al 32% (es decir que ocupa el 32% del volumen del suelo). La evapotranspiración en la zona es el 65-75% de la precipitación. Hay una vegetación escasa.

Recogida del goteo
El goteo se recoge en 3 zonas, mediante unas lonas de PVC, y es desviado hacia un barril, donde el caudal es medido de forma continua para cada zona. La zona 1 tiene una lona de 17 m2   y está situada por debajo de una de las chimeneas. Esta tiene un diámetro de 1 metro,  llega hasta 3 metros por debajo de la superficie y está conectada con una fisura relativamente ancha. Las zonas 2 y 3 tienen unas lonas de 56 y 46 metros cuadrados respectivamente y se encuentran por debajo de importantes áreas de goteo.

La precipitación
Después de un verano seco la temporada de lluvias comienza en septiembre. La precipitación se ha medido a 300 metros de la cueva, calibrado a cantidades de 0,2 mm. La precipitación media por la zona es de unos 550 mm al año. La precipitación artificial se hace mediante siete aspersores y es parcialmente recogida en 37 contenedores para poder determinar la distribución espacial.

La entrada de la cueva
La entrada tiene una superficie de unos 50 m2 (no mencionado en el artículo, pero calculado usando la escala de la figura en el artículo original y por comparación con las 2 lonas) y está situada en el borde sur de la cueva.


Experimento 1: eventos de lluvia natural

Descripción del experimento 1
En este experimento se ha recogida las precipitaciones desde las primeras lluvias, después del verano de 2006, hasta las últimas lluvias de la estación húmeda. En el techo de la cueva hay centenares de puntos de infiltración que se ha recogido en tres zonas (supongo donde más goteo había), mediante unas lonas. Unos sensores han medido la cantidad recogido en tiempo real. Dividiendo esa cantidad por la superficie de la lona da la infiltración en mm.

Resultados del experimento 1
La figura 1 es una representación gráfica de los resultados. La curva de precipitación acumulada muestra como aumenta la cantidad total de lluvia (eje de la izquierda) durante los meses de la estación húmeda (eje horizontal). Los tramos donde sube esta curva indican los eventos de lluvia y los tramos horizontales indican los periodos secos intermedios. Las curvas marrón, morada y azul indican la cantidad diaria de goteo de las zonas 1, 2 y 3 respectivamente. Se puede ver que los eventos de precipitación A, B y C (cantidad total 103 mm) no provocaron ningún goteo. Los siguientes 6 eventos los he numerado de 1 a 6, y muestran un aumento de goteo progresivo mientras avanza la temporada húmeda (picos cada vez más altos).


Gráfico que muestra la precipitación acumulada durante el invierno en la zona y la cantidad de goteo en la cueva en tres zonas diferentes.

La figura 1 es una adaptación de la figura 5 del artículo original. Para su explicación ver el texto.

La figura 2 muestra los resultados en una representación semilogarítmica, donde el eje horizontal tiene una escala lineal (el tiempo en meses) y el eje vertical una escala logarítmica (el goteo en mm por día). Representado de este modo los resultados muestran que cada curva tiene dos (las zonas 2 y 3 de goteo) o tres (la zona 1) partes bien diferenciadas, que además se repiten en todos los eventos de precipitación y que se ve especialmente claro en la parte donde la curva se disminuye.
Gráfico que muestra tres régimenes de flujos por el epikarst: flujo rápido, intermedio y lento.
La figura 2 es prácticamente igual a la figura 6 del artículo original. Para su explicación ver el texto.

Un dato que es difícil de ver en las figuras (debido a la escala) es el tiempo entre el comienzo de un evento de precipitación y el momento que empieza el goteo en la cueva. Este valor disminuye de unas 30 horas por el evento 1 hasta 4 horas por el evento 6.

Interpretación de los resultados del experimento 1
1) Como se puede ver en la figura 1, las primeras tres lluvias, con un total de precipitación de 103 mm, no provocaron ningún goteo, ni si quiera en la zona 1, que tiene una chimenea con una fisura relativamente ancha. Esto coincide con la cantidad de agua que el suelo es capaz de absorber para llegar del punto de marchitez (17%) al punto de capacidad de campo (32%).
Esta diferencia de 15% es el volumen del suelo que se ha llenado con agua, y el 15% de un suelo de 700 mm son 105 mm.

2) Si comparamos en la figura 1 el primer pico con el tercero (pico tres veces mayor, mientras que la precipitación ha sido algo menor, ver curva de precipitación acumulada) y el sexto (pico 8 veces mayor con una precipitación solo un poco mayor), se puede ver que los efectos de un evento de lluvia aumentan considerablemente mientras avanza la temporada húmeda. El goteo del último evento representaba aproximadamente el 80% de la precipitación total. Esta diferencia en los efectos que pueden tener unas precipitaciones parecidas, se puede explicar en gran parte teniendo en cuenta la duración de los períodos secos entre cada evento. De los 75 mm caídos en el evento 1, unos 65 mm son absorbidos por el suelo. En los dos meses antes de este evento la humedad había vuelto a bajar 9 puntos, hasta el 23%. Aparte de la longitud de estos períodos intermedios, también deben de haber jugado un papel el tiempo y la vegetación. Por ejemplo, un aire seco tiene mucho poder para disecar el suelo y es posible que la vegetación se haya activado después de las primeras lluvias (observación personal).Al contrario, el período sin precipitación antes del evento 6 (pico más alto), ha tenido mucho menos efecto, porque su duración ha sido mucho menor, el aire ha sido probablemente menos seco y la vegetación puede que estaba al final de su periodo de crecimiento (por lo menos las plantas anuales).

3) La disminución del tiempo entre el comienzo de un evento de precipitación y el momento que empieza el goteo en la cueva, mientras avanza la temporada húmeda, es otra indicación de que el suelo pierda cada vez menos humedad en los períodos secos intermedios.

4) La figura 1 muestra que el goteo en la zona 1 es muy superior a las otras zonas. La explicación está en la presencia de la fisura relativamente ancha en la chimenea y que deja pasar un flujo considerable.

5) La cantidad total de goteo recogido es de alrededor de 150 mm, lo cual es entre 30-35% de la precipitación anual. Esta cifra coincide con una evapotranspiración de 65-75%, que es el valor para todo el acuífero. En este caso el valor a gran escala parece coincidir con el valor a escala pequeña.

6) Las tres grupos de curvas de la figura 2 son interpretados como tres regímenes de flujo, porque si la disminución del goteo, después de una lluvia, simplemente seguiría una función exponencial, entonces la figura demostraría una sola línea. La curva más inclinada, que solo se ha observado claramente en el goteo de la zona 1, representa el flujo rápido, asociado a la fisura ancha que termina en la chimenea. Las otras dos líneas representan el flujo intermedio y lento. Estos flujos se han observado en las tres zonas y se asocia con los sistemas de fisuras estrechas y muy estrechas o el matriz.

 
Experimento con lluvia artificial
Al final del verano siguiente (septiembre 2007) Sheffer y coautores han realizado un experimento con lluvia artificial. Han hecho tres irrigaciones usando siete aspersores, una vez por semana. Esta precipitación artificial se ha controlado midiéndola en 37 puntos, para poder determinar su distribución espacial. Las irrigaciones han sido de 75, 42 y 76 mm respectivamente.

Resultados
La primera irrigación no ha resultado en goteo. La segunda ha resultado en 2 mm de goteo total. La tercera ha tenido un efecto grande.

Interpretaciones
El resultado ha confirmado los datos adquiridos en el experimento con la lluvia natural. Solo hay goteo  a partir del momento en que el suelo ha recuperado su capacidad de campo (= que está saturado), que otra vez ha sido a partir de un poco más de 100 mm de precipitación. Está claro que la cantidad de la segunda  irrigación ha sido en función de las expectativas, asegurando el arranca de goteo, pero solo eso.

                                         
Experimento con trazadores
Este experimento se ha hecho durante la tercera irrigación, cuando el suelo ya estaba saturado. Se han usado 3 trazadores: Uranine, LiCl y Sodio Naftionato, que a partir de ahora se indican con A, B y C.
Los trazadores A y B fueron colocados alrededor de las zonas 1 y 3. El trazador A exactamente a 5 metros al norte de la chimenea de la zona 1. El trazador C se ha colocado por encima de ambas zonas, pero no justo por encima de la chimenea (grosor del techo en la zona 1 de 7 metros).

Resultados
El trazador C apareció por primera vez después de 23 y 29 horas en las zonas 1 y 3 respectivamente. El grosor de de los techos en estas zonas es de unos 7 y 9 metros respectivamente.
Los trazadores A y B alrededor de la zona 3 y el trazador B al lado de la zona 1, no se han detectado en ningún momento.
El trazador A de la zona 1 se ha detectado a las 5 horas del comienzo de la irrigación y solo durante un tiempo corto. La distancia mínima que ha atravesado este trazador es de seis metros.

Interpretación
El trazador C ha demostrado que el flujo intermedio es de unos 30 cm por hora. Este dato se puede obtener dividiendo el grosor de la roca por encima de la cueva por la cantidad de horas que han pasado hasta la primera detección del trazador.
La falta de detección de los trazadores colocados alrededor de las zonas 1 y 3 (excepto el trazador A de la zona 1) indica que los flujos intermedio y lento son principalmente verticales.
La detección del trazador A en la zona 1 es contribuido al flujo rápido por la fisura ancha, lo que explica que después de un pico al principio no se ha detectado más. Con estos datos se puede calcular que la velocidad mínima del flujo rápido es de 120 cm por hora (distancia mínima de 6 metros dividida por 5 horas).
Otro aspecto es que el flujo rápido tiene un importante componente de desplazamiento horizontal.


Conclusiones de los autores
Antes de añadir unos comentarios personales, doy aquí una traducción de las conclusiones publicado en el artículo.

Conclusiones del artículo de Sheffer et al.
1. Se han podido diferenciar tres regímenes de flujos separados según los hidrogramas de goteo: flujo rápido, flujo intermedio y flujo lento. El flujo rápido sigue una ruta preferida, como puede ser a través de conductos (fisuras anchas), mientras que el flujo intermedio fluye por un sistema de fisuras y el flujo lento se filtra a través de la matriz. El flujo lento fue calculado a 300 mm por hora, esto en base de la recuperación del trazador Na Naftionato.
2. Se encontró que después de un verano largo y seco, un umbral de 100 mm era esencial para el comienzo del goteo en la cueva.
3. El tiempo de retraso entre los eventos de lluvia y el goteo en la cueva disminuye a lo largo de la temporada de lluvias de 29–34 h a 4 horas.
4. La tasa de recarga aumenta para cada evento de lluvia durante el invierno, comenzando sin recarga hasta que se alcanza el umbral de 100 mm, y luego aumentando a 70–80% de precipitación.
5. El patrón espacial de las recuperaciones de los trazadores respalda el supuesto general de flujo vertical a través de la zona vadosa, lo que permite realizar cálculos de recarga.
La recarga anual medido en la cueva fue de 140–160 mm, lo que representa el 30–35% de la precipitación anual, similar a la recarga promedio a largo plazo para el acuífero WMA.
6. Los procesos fundamentales que rigen la recarga a la cueva están de acuerdo con los procesos descritos por modelos a escala local y regional.


Algunos comentarios
1) En este experimento el medio que retiene casi toda la precipitación es el suelo. Lo cual significa que en este lugar la capacidad de almacenamiento del epikarst tiene poca importancia, al contrario de que se supone en muchos artículos.
Una explicación puede ser que la zona de contacto entre la roca y el suelo es muy homogénea y nítida, lo cual a su vez puede ser debido al carácter masivo de la caliza y la estratificación casi horizontal. Además la roca tiene una fisuración moderada y pocas fisuras anchas (distancia entre las fisuras de 0,5 a 5 metros).
Esto significa que la capa superior de la roca (= el epikarst) tiene muy poca capacidad para retener agua. No tiene ni espacios con cierto volumen (vacios o lleno de suelo), ni un sistema maduro de fisuras más o menos anchas. Con otras palabras, el epikarst está muy poco desarrollado.
No quiere decir que en otras partes del mundo no puede haber un epikarst funcional en el sentido de que no solo concentra la precipitación, pero que también la acumula. En muchos lugares el interfaz entre roca y suelo es muy irregular, lo cual fomenta la incorporación de tierra y la formación de espacios vacios.

Lo cual nos lleva a la importancia de que cada caso hay que estudiarlo individualmente y que generalizaciones, aunque muchas veces inevitables, pueden llegar a supuestos erróneos.

2) Como ha demostrado este estudio, el suelo (y en general también el epikarst ) atenúan los efectos de las lluvias en la zona vadosa por retención del agua, pero que esta capacidad disminuye mucho con el avance de la época húmeda, porque llega un momento en que el suelo está casi saturado de forma permanente.
Hay que tener en cuenta que en otras zonas del mundo estos efectos pueden ser mucho mayores. En una zona con un suelo profundo y mucha vegetación, puede que incluso una lluvia fuerte apenas aumenta el flujo por la zona vadosa, si esta ocurre después de un período largo sin precipitación. Por otro lado, el este ejemplo ya no se retiene el agua una vez que el suelo y el epikarst se haya saturado, y entonces la mayor precipitación puede causar inundaciones peligrosas en la zona vadosa.
Al contrario, en zonas con  un karst desnudo se espera una retención menor, la cual significa que incluso una tormenta en verano puede tener una respuesta rápida y brusca. Por tanto mucha atención, especialmente en los pozos.

3) El experimento con los trazadores ha demostrado que las fisuras anchas desvían el agua desde una distancia de cinco metros hacia la chimenea. Lo cual indica que, aunque en este experimento el epikarst no cumple la suposición de medio donde se retiene el agua, si lo cumple en el sentido de desviar y concentrar los flujos. Es decir, que se ha desviado agua hacia la zona 1 de un área adyacente y que por tanto el caudal ya no tiene relación con la superficie de la lona. Eso explica que el goteo recogido ha sido varias veces mayor que en las otras zonas.
Por otro lado el goteo de la zona 2 es mayor al goteo de la zona 3, y eso de una forma significativa. Ya hemos visto que el goteo se calcula en mm, dividiendo el volumen de agua recogida por la superficie de la lona, lo cual significa que la superficie total no influye. También han supuesto que el flujo intermedio y lento son verticales. ¿Entonces que puede ser la razón de esta diferencia?
Me ocurren dos posibilidades:
a) La precipitación que cae sobre la entrada tapada (50 m2) debe de ir a algún lado. Como también los estratos se inclinan ligeramente hacia el ONO, es posible que una parte del agua que sale de la entrada sea guiada hacia la zona 2 (situada al norte de la entrada), pero no hacia la zona 3.
b) Que hay más fisuras más o menos estrechas, que aportan o quitan agua de ambas zonas.
Obviamente todo esto debe tener consecuencias para el cálculo del porcentaje de precipitación total que entra en la cueva y que luego se compara con evapotranspiración de la región.

4) Se han calculado un valor mínimo para el flujo rápido y otro para el flujo intermedio, pero no para el flujo lento. Como se puede ver en la figura 2, el flujo lento se mantiene por lo menos durante un mes. Quizás significa que si hay una pequeña reserva de agua en el epikarst, o que este flujo es realmente muy lento, o ambos.
En las conclusiones los autores lo relacionan con el matriz, aunque al principio habían dicho que este era inexistente (o por lo menos que no había permeabilidad de matriz). Sea lo que sea, el mecanismo responsable es capaz de mantener un flujo de aprox. 0,5 mm al día, incluso después de un mes.
Con un valor de 30 cm por hora, el flujo intermedio pudiera llegar a la capa freática, situada a unos 100  metros por debajo de la superficie, en unas dos semanas (333 horas, y suponiendo que las fisuras siguen igual), pero solo se mantiene durante un periodo relativamente corto.
El flujo lento llegaría mucho más tarde, lo cual puede ser una de las razones porque un acuífero mantiene su nivel de base incluso después de un largo periodo de sequía.
A otro lado, también es probable que parte del agua de los flujos intermedios y lentos es interceptado por fisuras más anchas, lo cual disminuiría mucho el tiempo para llegar al nivel freático.
Se ve que queda mucho para investigar.

5) Todo lo mencionado anteriormente demuestra que probablemente hay muchos casos donde la capacidad de retención del epikarst es sobrevaluada y la de la zona vadosa infravaluada, con lo cual no quiero negar la importancia del epikarst.
También habrán casos donde la capacidad de la zona freática para mantener el flujo en estiaje (= mucho menor que la capacidad de todo el acuífero) es mucho mayor a la de la zona vadosa y el epikarst juntos. Lo cual puede ser un tema para otro artículo.

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7 comentarios:

  1. Hombre Marius! Qué alegría verte de vuelta

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    1. Hola, muchas gracias, pero como el comentario es anónimo no sé quien eres. De todos modos un saludo.

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  2. Se lee y entiende bien. Algunas frases resultan un poco largas, pero nada excesivo.

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  3. Por cierto, gracias por la traducción.

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    1. Hola, buenas noches, supongo que el comentario anterior también es tuyo. Me alegro que se entiende bien, a veces tengo mis dudas. Un saludo.

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  4. Gracias Marius, por esta aportación, con tú permiso, se lo adjunto al F.U.E, tenemos estudiosos del tema dentro del grupo. Salud. Osco

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    1. Hola Osco, puedes usarlo para educación, estudio, etc., para eso está escrito. Todo menos lo comercial. A mi me cuesta bastante trabajo, y no lo hago por dinero.
      ¿Que agrupación es la F.U.E?
      ¿Has hecho muchas fotos?
      Un cordial saludo

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