[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.

[es] La caracterización de los acuíferos evaporíticos para comprender mejor los procesos hidrodinámicos y geoquímicos es de gran importancia, especialmente en entornos donde tanto la sostenibilidad de ecosistemas únicos como los intereses económicos dependen de las características del acuífero. Este es el caso del núcleo evaporítico del Salar de Atacama (SdA), "motor" de esta tesis, que nos impulsa a perseguir dos objetivos principales. Primero, caracterizar el comportamiento hidráulico del núcleo del SdA, poniendo especial atención en la identificación de estructuras altamente conectadas (caminos de flujo preferente). En segundo lugar, contribuir al conocimiento sobre el desarrollo de zonas de flujo preferente causadas por procesos de disolución (es decir, la dinámica de los agujeros de gusano, comúnmente llamados wormholes) y los correspondientes cambios en el comportamiento del flujo y del transporte. Para caracterizar un acuífero, se suelen realizar pruebas de bombeo que permiten comprender el modelo conceptual del sistema a través de diagramas de diagnóstico, y estimar las propiedades hidráulicas. Entre las diversas pruebas, las de recuperación consisten en medir las variaciones del nivel piezométrico en pozos de bombeo y/o de monitoreo una vez finalizada la prueba de bombeo. Estas pruebas son especialmente útiles cuando el caudal no se puede controlar con precisión. Agarwal propuso un método, que se ha convertido en estándar en la industria petrolera, para obtener la respuesta del acuífero al bombeo a partir de los datos de recuperación. Sin embargo, el método ha sido probado y verificado de forma limitada. En el segundo capítulo de esta tesis analizamos el método de Agarwal para comprender sus limitaciones y superarlas. Nuestros resultados muestran que el método de Agarwal proporciona excelentes gráficas de recuperación (es decir, la curva de descenso que se obtendría durante el bombeo) y buenas estimaciones de los parámetros hidráulicos para casi todas las condiciones del acuífero, siempre que se utilice un caudal constante y que la derivada logarítmica al final del bombeo sea constante. Estas condiciones son demasiado limitantes para su aplicación en hidrología de aguas subterráneas, donde se suelen monitorear varios pozos de observación. Por lo tanto, generalizamos el método de Agarwal (1) derivando un tiempo equivalente para caudales que varían en el tiempo y (2) proponiendo obtener las curvas de descenso durante la recuperación extrapolando los descensos de la fase de bombeo. De esta forma obtenemos excelentes gráficos de diagnóstico que facilitan el análisis del modelo conceptual y permiten aplicar el método para una amplia gama de condiciones. Sin embargo, la interpretación de las prueba hidráulicas basadas en el análisis de datos de descenso es difícil de realizar para caracterizar grandes sistemas acuíferos con una dinámica de flujo compleja impulsada, por ejemplo, por grandes campos de bombeo. En este caso, la caracterización generalmente se logra a través de modelos de aguas subterráneas. Por lo tanto, nos quedamos con el concepto de que los descensos debidos a uno stress hidráulico contienen información crucial para caracterizar un acuífero, y proyectamos el concepto en la modelación de aguas subterráneas. Considerar el descenso en la modelación sería mucho más fácil que usar el nivel piezométrico, puesto que los descensos están sujetos a condiciones de contorno e iniciales homogéneas (cero). El problema radica en el hecho de que los descensos no se miden directamente, sino que se deducen de las mediciones de variación del nivel. Los descensos resultantes pueden sufrir inexactitudes persistentes en sistemas complejos con perturbaciones externas, inciertas y prolongadas. De esta manera, los descensos estimados se ven afectados no solo por errores en las mediciones del nivel, sino que también por las estimaciones de la evolución natural del mismo (es decir, el nivel que habría si la prueba de bombeo no se hubiera realizado). Esto dificulta el uso de los descensos en los modelos de flujo y obliga a los modeladores a emplear niveles piezométricos e información cualitativa. En este contexto, en el tercer capítulo presentamos un método para filtrar errores sistemáticos en los datos de descenso durante la calibración automática de un modelo de flujo. Para hacer esto, introducimos un término de corrección del sesgo en un problema inverso compuesto que combina un modelo de nivel natural con un modelo de descenso. Dado que estos dos modelos comparten los mismos parámetros, se desarrolla un algoritmo iterativo de optimización de dos fases para estimar conjuntamente el sesgo, las tendencias naturales y los parámetros. El método se ilustra con un ejemplo sintético en un acuífero heterogéneo. El ejemplo muestra que el método converge a la mejor estimación condicional incluso cuando los datos de nivel están fuertemente sesgados. En el mismo ejemplo, demostramos que el uso de datos de nivel sesgados en el problema inverso tradicional también puede proporcionar buenos ajustes pero, en este caso, el sesgo conduce a una estimación incorrecta del campo de transmisividad. En el cuarto capítulo aplicamos el método presentado en el capítulo anterior, acoplado a la inversión estocástica, al núcleo del SdA. En este capítulo queremos caracterizar la distribución espacial de la conductividad hidráulica a gran escala, con especial atención para la identificación de estructuras de conectividad (canales altamente conductivos) que controlan el flujo de agua subterránea y el transporte de contaminantes. En los acuíferos evaporíticos, estos canales preferentes pueden consistir en conductos kársticos, desarrollados a diferentes escalas, así como en zonas de falla. En este contexto, investigamos si es posible utilizar la inversión estocástica para caracterizar la presencia de estructuras de conectividad en el acuífero evaporítico del SdA (gran extensión, alrededor de 1500 km2) usando los niveles medidos en numerosos puntos de observación durante una secuencia de tres pruebas hidráulicas. Los resultados muestran que, aunque la solución no es única, se identifican las principales zonas de flujo preferente. Numerosas inversiones producen ajustes similares a los descensos observados, con errores máximos de pocos centímetros. El flujo preferente se identifica no solo por regiones alargadas de alta permeabilidad, sino también por un marcado efecto escala (las transmisividades del modelo son unas 30 veces más grandes que las estimadas a través de ensayos de bombeo cortos). Las principales zonas de alta conductividad son consistentes con información independiente basada en geofísica,