[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,

[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.