Urban Groundwater. Barcelona City Case Study
Authors:   , Vázquez Suñé Enric 
Published: July 2023

Cuando se estudian las aguas subterráneas en zonas urbanas deben tenerse en cuenta una serie de cuestiones específicas. La urbanización del territorio afecta significativamente al ciclo del agua tanto en cantidad como en calidad, en particular a la parte relacionada con la recarga y descarga de los acuíferos. Además las aguas pueden afectar a las infraestructuras urbanas subterráneas como sótanos, parkings, túneles de Metro o ferrocarril, conducciones, etc. Por estos motivos el estudio de las aguas subterráneas en zonas urbanas emerge con fuerza dentro de la hidrogeología. Algunos de los temas específicos para su estudio son: 1) Variaciones del nivel freático causadas por cambios en los usos del suelo y del agua; 2) Contaminación de las aguas subterráneas por la presencia de focos contaminantes tanto puntuales como difusos; 3) Caracterización y cuantificación de los componentes del balance hidrogeológico; 4) especificidades en la modelación del flujo subterráneo y el transporte de contaminantes; y 5) Integración de los datos hidrogeológicos para su gestión. Algunos de estos temas se ilustran aquí sobre el ejemplo de la ciudad de Barcelona. En los últimos años, tanto desde el ámbito público como privado, se ha llevado a cabo un amplio estudio hidrogeológico de la ciudad. El ascenso del nivel freático se ha convertido en un serio problema para muchas estructuras subterráneas, principalmente parkings y la red del Metro. Este ascenso se ha debido básicamente a la disminución en la explotación de las aguas subterráneas por una reducción significativa del consumo de agua para usos industriales. Aquí se presenta una evaluación de los principales términos que afectan a la recarga cuyo resultado es la cuantificación del balance hidrogeológico en el periodo comprendido entre 1965 a 1995. Se ha cuantificado en unos 40 hm3/a la cantidad total de agua que debe bombearse de los acuíferos para mantener los niveles freáticos a las cotas actuales. Si se bombean cantidades menores los niveles freáticos seguirán ascendiendo y continuaran los problemas. Se han sugerido algunos usos alternativos para estas aguas.<br/>Este caso puede considerarse un buen ejemplo de como la evolución de la urbanización en cualquier ciudad genera una serie de problemas respecto la disponibilidad y calidad de las aguas subterráneas con las implicaciones tanto sociales como económicas que esto comporta. Para un buen conocimiento de la hidrogeología urbana es preciso un análisis cuantitativo del flujo de agua y de su calidad, para ello es preciso 1) identificar los procesos hidrogeológicos; 2) caracterización de acuíferos y modelación y 3) gestión de los recursos hídricos. Al aplicar esta metodología a Barcelona se ha obtenido, entre otras cosas, un modelo capaz de ser utilizado como herramienta de gestión. Estos modelos se podrán aplicar si las aguas subterráneas quedan contempladas como un elemento más a tener en cuenta por los gestores locales. <br/>Un tema clave para el estudio de la hidrogeología urbana es la evaluación de los diversos términos que componen la recarga (agua de la red de abastecimiento, del alcantarillado, agua de escorrentía urbana, infiltración directa, etc.) Discriminar todos estos términos es importante para evaluar el balance, para conocer el riesgo de contaminación de los acuíferos y para plantear una correcta gestión. Es necesario conocer cuales son los diversos compuestos hidroquímicos e isotópicos presentes en las aguas de recarga. El objetivo es identificar, y si es posible cuantificar, las diversas fuentes de recarga y sus proporciones. Se ha revisado un buen número de experiencias y casos internacionales que listan en el uso de diversos tipos de trazadores aplicados a los estudios de aguas subterráneas.<br/>La cuantificación de las diversas fuentes de recarga se puede establecer a partir de balances de solutos. El puntos críticos son: 1) la gran cantidad de fuentes de recarga existentes que implican tener que usar un gran número de especies conservativas; 2) la incertidumbre en las concentraciones de estas fuentes y 3) los errores de medida.<br/>Teniendo en cuenta estas limitaciones se presenta un método basado en el análisis estadístico multivariado para el cálculo de las proporciones de mezcla de las fuentes de recarga en un gran número de puntos de mezcla. Este método está basado en la presunción que las medidas de las concentraciones contienen errores. Minimizando la función de verosimilitud respecto a las concentraciones de las fuentes y de las mezclas se llega a un problema de optimización. Para resolver este problema se presenta un algoritmo de aplicado a dos ejemplos sintéticos. Los resultados confirman la conjeturas de partida, es decir, las concentraciones de las mezclas contienen información sobre las concentraciones de las fuentes. Así pues, al haber consistencia entre ambos implica que una mejora en los cálculos de las mezclas y también en el conocimiento más preciso de las fuentes. <br/>Esta metodología se ha aplicado a los acuíferos de Barcelona. El primer paso ha sido la identificación de las fuentes de recarga potenciales: agua de abastecimiento, con dos tipologías diferentes, aguas residuales y de escorrentía urbana, aguas de infiltración directa ,aguas de infiltración del río Besós y aguas de intrusión marina. Después de su estudio hidroquímico e isotópico se han determinado ocho especies químicas más o menos conservativas para identificar las posibles fuentes de recarga. La aplicación de este método estadístico ha permitido calcular las proporciones de mezcla de las diversas fuentes de recarga en las diversas zonas de los acuíferos de la ciudad.
A number of specific issues must be considered when dealing with groundwater in urban areas. Urbanization significantly affects the natural water cycle, both in terms of quantity and quality. In particular, the main contributors to recharge and discharge clearly differ from those in natural systems. Moreover, water can affect underground city infrastructures, such as basements, public transport services (trains, subway, .), and conductions. As a result, urban groundwater is emerging as a distinct branch of hydrogeology. Topics that are specific to urban groundwater include: 1) Fluctuations in groundwater levels caused by changes in land and water uses; 2) Pollution problems caused by point or non-point sources in urban areas; 3) Characterization and quantification of the components contributing to groundwater balance; 4) Specific characteristics of groundwater flow and solute transport models in urban areas; and 5) Integration of data for sustainable urban water management. Some of these issues are illustrated here for the case of Barcelona, where both the public and the private sectors have carried out a comprehensive hydrogeological study during the last years. Rising of groundwater levels beneath the city of Barcelona has become a serious problem to urban structures, such as the subway and underground parking areas. This rise is mainly due to a decline in groundwater exploitation, following a reduction in high water-consuming industrial activity in the city. We present an evaluation of the main terms affecting recharge in the city. The outcome is a global groundwater balance for the period 1965-1995. It has been quantified that a total rate of 40 million m3 per year should be pumped from the aquifers underneath the city in order to keep to the present groundwater levels. A lesser amount would lead to a rise in levels, and to continuing problems. Possible uses for this additional water are suggested.<br/>This case can be considered an example of how urbanisation poses some threats to both availability and quality of groundwater resources in large cities worldwide, with their corresponding significant social, environmental and economic implications. A good knowledge of urban hydrology requires a detailed quantitative analysis of not only water fluxes, but also their quality. In any real case study one has to face at least three aspects: (1) process identification, (2) aquifer characterisation and modelling, and (3) water resources management. This three-fold methodology has been applied to the city of Barcelona. The outcome is a groundwater model which may, among other things, become a management tool. This is an important step towards considering groundwater as one of the topics to be taken into account in city planning. <br/>One of the key issues in urban hydrogeology is the evaluation of the relative contribution of the different sources of recharge (water from mains and sewers, direct infiltration, runoff, etc.). Discriminating among recharge sources is important for the overall recharge evaluation, for assessing groundwater pollution risks and for groundwater management. To do so, it is necessary to know the different hydrochemical compounds and isotopes present in groundwater and recharge water. The objective is to identify, and if possible to quantify, the various recharge water types and their proportion. We have reviewed a large number of cases and international experiences illustrating the use of several tracers in urban groundwater studies. <br/>Quantification of the contribution from the different recharge terms can be achieved by means of solute mass balances. The critical points in the process are: (1) the large amount of source terms, which leads to the necessity of a large number of conservative species to be used, (2) the uncertainty in the concentrations of sources, and (3) the measurement errors. <br/>A method based on multivariate statistical analysis is presented for estimating the proportions in which a small number of end-member waters are mixed in a large number of samples. The method is based on assuming that errors affect all concentration measurements. Maximizing the likelihood of these with respect to both mixing ratios and end-member concentrations leads to a general constrained optimization problem. An algorithm for solving this problem is presented and applied to two synthetic problems. Results confirm the conjecture that motivates this work. That is, mixtures concentration measurements contain information about end-member concentrations. As a result, ensuring that the latter are consistent with the former leads to a significant improvement of not only end-member estimates, but also mixing ratio estimates.<br/>This method has been applied to the city of Barcelona. In this city a number of potential sources were identified. These include: losses from the water supply network (with two different sources of water), losses from sewers, infiltration from the Besòs River, infiltration in unpaved areas, and seawater intrusion. After studying the results from the chemical and isotopical analyses, eight chemical species were found to be conservative and to provide a potential for source discrimination. The application of the statistical analyses allowed us to compute the proportions of each recharge source for a number of different locations in Barcelona.