[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.

[en] The characterization of evaporitic aquifers for a better understanding of hydrodynamics and geochemical processes is of great importance, especially in environments where both the sustainability of unique ecosystems and the economic interests depend on aquifer features. This is the case of the Salar de Atacama (SdA) evaporitic nucleus, the "driving force" of this thesis, which prompt us to pursue two main objectives. First, characterizing the hydraulic behavior of the SdA nucleus, with special attention for the identification of highly connected structures (preferential flow-paths). Second, enriching the knowledge on preferential flow-paths development caused by dissolution processes (i.e. wormholes dynamics) and the corresponding changes in flow and transport behaviour. As a first step, we focused on the interpretation of hydraulic tests for aquifer characterization. Agarwal's method for recovery test interpretation was selected as suitable for analyzing the SdA aquifer response to imposed stresses for hydraulic properties estimation. Thus, we verified the method under ideal and non-ideal condition and we exposed its limitations. The latter were overcome by modifying the existing methodology and proposing an improved equivalent time to deal with variable pumping rates. At the same time we carried out a long-lasting cross-hole hydraulic test in the SdA nucleus. The complexity of system dynamics highlighted the need of seeking for a different methodology for aquifer characterization. We ended up developing a new filtering-corrective method through which aquifer characterization was carried out. The method involves estimating drawdowns, corrected from eventual systematic and structural errors, to be used as observations while automatically calibrating a groundwater model. Once validated the new method, we applied it, jointly with the stochastic inversion, to characterize the SdA nucleus in terms of spatial variability of the hydraulic conductivity at a large scale, with special attention for identifying connectivity structures. Results showed that these structures actually govern flow dynamics at large scale. Their identification was supported by independent information, which was used to verify the consistency of the results, thus the capability of the stochastic inversion in defining preferential flow-paths at large scale. Finally, we moved to an intermediate-scale analysis, carrying out a laboratory experiment under controlled conditions. We ran a dissolution experiment, jointly with several tracer tests, to study the evolution of a dissolution pattern characterized by dominant wormholes. We analyzed the evolution of wormhole dynamics, with special attention for wormholes growth, changes in hydraulic properties, geometry and competition for the flow. Furthermore, by interpreting the tracer tests we were able to quantify the effect that these structures have on the hydraulic and transport behavior. For that, we applied the multi-advection dispersion model, considering two modelling approaches: by fitting the measured BTCs with effective transport parameters and by predicting the BTCs evolution through a discrete wormhole modelling approach, applied knowing the geometry of the system and transport parameters of the undissolved matrix. Both approaches are capable of reproducing the experimental data, highlighting the ability to characterize the system. Results also demonstrate the high predictive power of the discrete wormhole model.