[ca] La caracterització dels aqüífers evaporítics per comprendre millor els processos hidrodinàmics i geoquímics és de gran importància, especialment en entorns on tant la sostenibilitat d'ecosistemes únics com els interessos econòmics depenen de les característiques de l'aqüífer. És el cas del nucli evaporític del Salar d'Atacama (SdA), "motor" d'aquesta tesi, que ens impulsa a perseguir dos objectius principals. Primer, caracteritzar el comportament hidràulic del nucli del SdA, amb especial atenció a la identificació d'estructures altament connectades (camins de flux preferent). En segon lloc, enriquir el coneixement sobre el desenvolupament de zones de flux preferent causades pels processos de dissolució (és a dir, la dinàmica dels forats de cuc, comunament anomenats wormholes) i els canvis corresponents en el comportament del flux i del transport. Per caracteritzar un aqüífer, se solen realitzar proves de bombament que permeten comprendre el model conceptual del sistema, a través de diagrames de diagnòstic, i estimar les propietats hidràuliques. Entre les diverses proves, les de recuperació consisteixen en mesurar les variacions del nivell piezomètric en pous de bombament i/o de monitorització un cop finalitzada la prova de bombament. Aquestes proves són especialment útils quan el cabal no es pot controlar amb precisió. Agarwal va proposar un mètode, que s'ha convertit en estàndard en la indústria petroliera, per obtenir la resposta de l'aqüífer al bombament a partir de les dades de recuperació. No obstant això, el mètode ha estat provat i verificat de forma limitada. En el segon capítol d'aquesta tesi analitzem el mètode d'Agarwal per comprendre les seves limitacions i superar-les. Els nostres resultats mostren que el mètode d'Agarwal proporciona excel·lents gràfiques de recuperació (és a dir, la corba de descens que s'obtindria durant el bombament) i bones estimacions dels paràmetres hidràulics per a gairebé totes les condicions de l'aqüífer, sempre que s'utilitzi un cabal constant i que la derivada logarítmica a la fi del bombament sigui constant. Aquestes condicions són massa limitants per a la seva aplicació en la hidrologia d'aigües subterrànies, on se solen monitoritzar diversos pous d'observació. Per tant, generalitzem el mètode d'Agarwal (1) derivant un temps equivalent per a cabals que varien en el temps i (2) proposant obtenir les corbes de descens durant la recuperació extrapolant els descensos de la fase de bombament. D'aquesta manera obtenim excel·lents gràfics de diagnòstic que faciliten l'anàlisi del model conceptual i permeten aplicar el mètode per a una àmplia gamma de condicions. No obstant això, la interpretació de les provas hidràuliques basades en l'anàlisi de dades de descens és difícil de realitzar per caracteritzar grans sistemes aqüífers amb una dinàmica de flux complexa, impulsada, per exemple, per grans camps de bombament. En aquest cas, la caracterització generalment s'aconsegueix a través de models d'aigües subterrànies. Per tant, partint de la base que els descensos deguts al estrès hidràulic contenen informació crucial per caracteritzar un aqüífer, projectem el concepte en la modelació d'aigües subterrànies. Considerar el descens en la modelació seria molt més fàcil que fer servir el nivell piezomètric, perquè els descensos estan subjectes a condicions de contorn i inicials homogènies (zero). El problema rau en el fet que els descensos no es mesuren directament, sinó que es deriven a partir dels mesuraments de variació del nivell. Els descensos resultants poden patir inexactituds persistents en sistemes complexos amb pertorbacions externes incertes i prolongades. D'aquesta manera, els descensos estimats es veuen afectats no només per errors en els mesuraments del nivell, sinó també per les estimacions de l'evolució natural del mateix (és a dir, el nivell que hi hauria si la prova de bombament no s'hagués realitzat) . Això dificulta l'ús dels descensos en els models de flux i obliga els modeladors a emprar els nivells piezomètrics i informació suau. En aquest context, en el tercer capítol presentem un mètode per filtrar errors sistemàtics en les dades de descens durant el calibratge automàtic d'un model de flux. Per fer això, introduïm un terme de correcció del biaix en un problema invers compost que combina un model de nivell natural amb un model de descens. Atès que aquests dos models comparteixen els mateixos paràmetres, es desenvolupa un algoritme iteratiu d'optimització de dues fases per estimar conjuntament el biaix, les tendències naturals i els paràmetres. El mètode s'il·lustra amb un exemple sintètic en un aqüífer heterogeni. L'exemple mostra que el mètode convergeix a la millor estimació condicional fins i tot quan les dades de nivell estan fortament esbiaixades. En el mateix exemple, vam demostrar que l'ús de dades de nivell esbiaixades en el problema invers tradicional també pot proporcionar bons ajustos però, en aquest cas, el biaix condueix a una estimació incorrecta del camp de transmissivitat. En el quart capítol apliquem el mètode presentat en el capítol anterior, acoblat a la inversió estocàstica, al nucli del SdA. Volem caracteritzar la distribució espacial de la conductivitat hidràulica a gran escala, amb especial atenció per a la identificació d'estructures de connectivitat (canals altament conductius) que controlen el flux d'aigua subterrània i el transport de contaminants. En els aqüífers evaporítics, aquests canals preferents poden consistir en conductes càrstics, desenvolupats a diferents escales, així com en zones de falla. En aquest context, vam investigar si és possible utilitzar la inversió estocàstica per caracteritzar la presència d'estructures de connectivitat a l'aqüífer evaporític del SdA (amb una gran extensió, al voltant de 1500 km2) usant els nivells mesurats en nombrosos punts d'observació durant una seqüència de tres proves hidràuliques. Els resultats mostren que, tot i que la solució no és única, s'identifiquen les principals zones de flux preferent. Nombroses inversions produeixen ajustos similars als descensos observats, amb errors màxims de pocs centímetres. El flux preferent s'identifica no només per regions allargades d'alta permeabilitat, sinó també per un marcat efecte d'escala (les transmissivitats del model són unes 30 vegades més grans que les estimades a través d'assajos de bombament curts). Les principals zones d'alta conductivitat són consistents amb informació independent basada en geofísica, isòtops, proporcions de mescla, dades piezomètriques i els processos de dissolució esperats. Finalment, per comprendre millor la dinàmica de desenvolupament d'aquests camins de flux preferent i els seus efectes sobre el comportament de flux i transport, duem a terme un experiment de dissolució en condicions controlades. Passem a una anàlisi d'escala intermèdia ja que les estructures de connectivitat organitzades (wormholes) poden desenvolupar-se en diferents escales espacials i temporals. Gràcies a estudis previs coneixem les condicions òptimes en què es poden formar aquestes estructures, però la seva evolució espai-temporal, així com la redistribució del flux entre canals i els canvis en els processos de transport, són en gran part desconeguts. Així, vam realitzar un experiment de dissolució en un aqüífer evaporític sintètic, juntament amb diverses proves de traçador, per estudiar l'evolució d'un patró de dissolució caracteritzat per wormholes dominants. Analitzem l'evolució de la dinàmica dels wormholes, amb especial atenció per al creixement dels mateixos, els canvis en les propietats hidràuliques del medi, la geometria dels wormholes i la competició pel flux. Observem com es redistribueix el flux amb el desenvolupament dels wormholes, així com algunes evidències dels factors desencadenants i amplificadors que intervenen en el mecanisme d'autoorganització que condueix a aquestes estructures de dissolució. A més, a l'interpretar les corbes d'arribada de les proves de traçador, podem quantificar l'efecte que aquestes estructures tenen sobre el comportament hidràulic i de transport. Per això, apliquem el model d'advecció múltiple i dispersió, considerant dos enfocaments diferents: ajustant les corbes d'arribada mesurades amb paràmetres de transport efectius i predient l'evolució de la corba d'arribada a través d'un model discret de wormholes, que s'aplica coneixent la geometria del sistema i els paràmetres de transport de la matriu no dissolta. Tots dos enfocaments són capaços de reproduir les dades experimentals, destacant la capacitat de caracteritzar el sistema. Els resultats també demostren l'alt poder predictiu del model discret de wormholes.

[it] La caratterizzazione degli acquiferi evaporitici, atta a comprendere meglio i processi idrodinamici e geochimici, è di grande importanza, soprattutto in ambienti in cui sia la sostenibilità di ecosistemi unici sia gli interessi economici dipendono dalle caratteristiche dell'acquifero. È il caso del nucleo evaporitico del Salar de Atacama (SdA), il "motore" di questa tesi, che ci spinge a perseguire due obiettivi principali. In primo luogo, caratterizzare il comportamento idraulico del nucleo del SdA, con particolare attenzione all'identificazione di strutture altamente connesse (percorsi di flusso preferenziali). In secondo luogo, arricchire la conoscenza sullo sviluppo di zone di flusso preferenziale dovuto ai processi di dissoluzione (in altre parole, le dinamiche dei wormholes) e sui relativi cambiamenti nel comportamento di flusso e trasporto. Per caratterizzare una falda acquifera solitamente vengono eseguite prove di pompaggio, con lo scopo di comprendere il modello concettuale del sistema, attraverso grafici diagnostici, e stimarne le proprietà idrauliche. Tra le varie prove, le prove di recupero consistono nel misurare le variazioni del livello piezometrico nei pozzi di pompaggio e/o monitoraggio una volta completata la prova di pompaggio. Questi test sono particolarmente utili quando la portata non può essere controllata con precisione. Agarwal ha proposto un metodo, diventato standard nell'industria petrolifera, per ottenere la risposta dell'acquifero al pompaggio a partire dai dati di recupero. Tuttavia, il metodo è stato testato e verificato in misura limitata. Nel secondo capitolo di questa tesi analizziamo il metodo di Agarwal per comprenderne i limiti e superarli. I risultati ottenuti mostrano che il metodo di Agarwal fornisce eccellenti grafici di recupero (ovvero la curva di abbassamento che si otterrebbe durante il pompaggio) e buone stime dei parametri idraulici per quasi tutte le condizioni dell'acquifero, a condizione che venga utilizzata una portata costante e che la derivata logaritmica alla fine del periodo di pompaggio sia costante. Queste condizioni sono troppo limitanti per l'applicazione nell'idrologia delle acque sotterranee, dove spesso vengono monitorati i pozzi di osservazione. Si generalizza quindi il metodo di Agarwal (1) derivando un tempo equivalente per portate che variano nel tempo e (2) proponendo di ottenere le curve di abbassamento dal recupero, estrapolando l'abbassamento della fase di pompaggio. In questo modo si ottengono ottimi grafici diagnostici che facilitano l'analisi del modello concettuale e consentono di applicare il metodo per un'ampia gamma di condizioni. Tuttavia, è difficile eseguire l'interpretazione dei test idraulici, basata sull'analisi dei dati di abbassamento, per caratterizzare grandi sistemi acquiferi con dinamiche di flusso complesse (ad esempio, nel caso in cui siano presenti grandi campi di pozzi in pompaggio). In questo caso, la caratterizzazione viene generalmente ottenuta attraverso la modellazione delle acque sotterranee. Pertanto, dal primo studio estraiamo il concetto secondo cui l'abbassamento causato dallo stress idraulico fornisce informazioni cruciali per caratterizzare un acquifero, e lo proiettiamo nel campo della modellazione delle acque sotterranee.Infatti, considerare l'abbassamento in fase di modellazione sarebbe molto più semplice rispetto all'utilizzo del livello piezometrico, in quanto le condizioni al contorno e iniziali da considerare sono omogenee (zero). Il problema sta nel fatto che gli abbassamenti non vengono misurati direttamente, ma si derivano dalle misure della variazione del livello della falda. Gli abbassamenti che ne derivano possono subire imprecisioni persistenti in sistemi complessi con perturbazioni esterne prolungate e incerte. In altre parole, la stima degli abbassamenti viene influenzata non solo da errori nelle misure della piezometria, ma anche dalle stime dell'evoluzione naturale della falda acquifera (cioè il livello che ci sarebbe stato se il test di pompaggio non fosse stato effettuato) . Ciò rende difficile utilizzare gli abbassamenti nei modelli di flusso e costringe i modellatori a utilizzare i livelli piezometrici e informazioni difficili da quantificare. Nel terzo capitolo del presente studio presentiamo un metodo per filtrare gli errori sistematici nei dati di abbassamento (stimati) durante la calibrazione automatica di un modello di flusso. Per fare ciò, introduciamo un termine di correzione della distorsione (bias) in un problema inverso composto che combina un modello dei livelli naturali con un modello degli abbassamenti. Dato che questi due modelli condividono gli stessi parametri, viene sviluppato un algoritmo iterativo di ottimizzazione in due fasi per stimare congiuntamente il bias, le tendenze naturali e i parametri idraulici. Il metodo viene presentato attarverso un esempio sintetico in un acquifero eterogeneo. L'esempio mostra che il metodo converge alla migliore stima condizionale anche quando i dati dei livelli piezometrici sono fortemente distorti. Inoltre, nello stesso esempio, mostriamo che l'utilizzo di dati di piezometria distorti nell'applicazione del problema inverso tradizionale può fornire buoni fittings, ma in questo caso il bias porta a una stima errata del campo di trasmissività. Nel quarto capitolo applichiamo il metodo presentato nel capitolo precedente, insieme all'inversione stocastica, nel nucleo del SdA. Si vuole caratterizzare la distribuzione spaziale della conducibilità idraulica su larga scala, con particolare attenzione per l'individuazione di strutture di connettività (canali altamente conduttivi) che controllano il flusso delle acque sotterranee e il trasporto degli inquinanti. Negli acquiferi evaporitici, questi canali preferenziali possono essere costituiti da condotti carsici, sviluppati a diverse scale, nonché da zone di faglia. In questo contesto si è indagato se sia possibile utilizzare l'inversione stocastica per caratterizzare la presenza di strutture di connettività nell'acquifero evaporitico del SdA (un area ampia, circa 1500 km2) utilizzando i livelli piezometrici misurati in numerosi punti di osservazione durante una sequenza di tre prove idrauliche. I risultati mostrano che, sebbene la soluzione non sia univoca, vengono individuate le principali zone di flusso preferenziale. Gli abbassamenti calcolati a partire da diverse simulazioni risultano essere simili agli abbassamenti osservati, con errori massimi di pochi centimetri. Il flusso preferenziale viene individuato non solo a partire da regioni allungate di alta permeabilità, ma anche da un marcato effetto scala (le trasmissività del modello sono circa 30 volte maggiori di quelle stimate attraverso prove di pompaggio corte). Le principali zone di alta conducibilità sono coerenti con informazioni indipendenti basate su geofisica, isotopi, proporzioni di miscelazione, dati piezometrici e processi di dissoluzione previsti. Infine, per comprendere meglio le dinamiche di sviluppo di questi percorsi di flusso preferenziali e i loro effetti sul comportamento di flusso e trasporto, eseguiamoo un esperimento di dissoluzione in condizioni controllate. Passiamo a un'analisi su scala intermedia poiché le strutture di connettività organizzate (wormholes) possono svilupparsi su scale spaziali e temporali diverse. Grazie a studi precedenti, conosciamo le condizioni ottimali in cui queste strutture possono formarsi, ma la loro evoluzione spazio-temporale, così come la ridistribuzione del flusso tra i canali e le variazioni nei processi di trasporto, sono in gran parte sconosciute. Pertanto, eseguiamo un esperimento di dissoluzione in un acquifero evaporitico sintetico, insieme a diverse prove di tracciante, per studiare l'evoluzione di una struttura di dissoluzione caratterizzata da wormholes dominanti. Analizziamo l'evoluzione della dinamica dei wormholes, con particolare attenzione per la loro crescita, i cambiamenti nelle proprietà idrauliche del sistema, la loro geometria e la competizione per il flusso. Osserviamo come il flusso viene ridistribuito con lo sviluppo dei wormholes, così come alcune evidenze dei fattori scatenanti e amplificatori che intervengono nel meccanismo di auto-organizzazione che porta a queste strutture di dissoluzione. Inoltre, interpretando le curve di arrivo delle prove di tracciante, possiamo quantificare l'effetto che queste strutture hanno sul comportamento idraulico e di trasporto. Per questo, applichiamo il modello di avvezione multipla e dispersione, considerando due diversi approcci: adattando le curve di arrivo misurate con i parametri di trasporto effettivi del sistema e prevedendo l'evoluzione della curva di arrivo attraverso un modello discreto dei wormholes, che viene applicato conoscendo la geometria del sistema e i parametri di trasporto della matrice indisciolta. Entrambi gli approcci sono in grado di riprodurre i dati sperimentali, evidenziando la capacità di caratterizzare il sistema. I risultati dimostrano anche l'elevato potere predittivo del modello discreto dei wormholes.