precipitaciones puno

Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Ing. RobertoIng. RobertoIng. RobertoIng. Roberto Alfaro Alfaro Alfaro Alfaro A.A.A.A.

73

Escuela de Ingeniera Sanitaria y Ambiental.

TEXTO GUIA

Parte II

M.Ing.M.Ing.M.Ing.M.Ing. Roberto Alfaro AlejoRoberto Alfaro AlejoRoberto Alfaro AlejoRoberto Alfaro Alejo


74

CONTENIDO DEL CURSO

1. INTRODUCCION Ciclo Hidrolgico Presupesto de Agua Origen del Agua Subterranea Distribucion Vertical de Aguas SUbterraneas Manifestacion del agua Subterranea

2. FLUJO EN AGUAS SUBTERRANEAS

Ley de Darcy y Potencial Hidraulico Ecuacion de Flujo de Aguas Subterraneas Permanente Lineas de Corriente y Red de Flujo Flujo Regional y Control Geologico en Flujo Flujo Transiente, Almacenamiento y Compresibilidad Flujo No Confinado Interaccion de Aguas Subterraneas con Corrientes y

Lagos Metodos Numericos Flujo en Roca Fracturada

3. HIDRAULICA DE POZOS Y CAPTACIONES Ecuaciones de Thiem y Theis Pruebas de Bombeo y Slug Tests Captaciones de Aguas Subterraneas

4. CALIDAD DEL AGUA SUBTERRNEA 5. EXPLORACIN DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS 6. EXPLOTACIN DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS 7. PROBLEMTICA AMBIENTAL DE LOS RECURSOS HDRICOS

SUBTERRNEOS Transporte de Contaminantes Adveccion y Dispersion Absorpcion y Transporte de Masa Difusivo Remediacion de Acuiferos

8. DESARROLLO SOSTENIBLE DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS


75

5. CALIDAD DEL AGUA SUBTERRNEA Debido a que el agua subterrnea se mueve a travs de los poros en un medio cuyas partculas de una u otra forma son solubles en diferente grado, el agua al cabo de cierto tiempo contendr cierta cantidad de materia en solucin. El agua subterrnea, en trminos generales, a comparacin del agua superficial es de mejor calidad bacteriolgica pero de peor calidad qumica. Es ms clara, incolora y se presenta a temperaturas ms constantes. Por su calidad y claridad se prefieren para uso domstico y consumo humano. Si bien el agua subterrnea se filtra de forma natural, puede contener bacterias, que la hagan no apta para consumo humano e incluso peligrosa, o exceso de sales disueltas, que le dan sabor desagradable. En funcin a las caractersticas fsicas, qumicas y biolgicas y las normas aceptadas por la OMS, UNESCO, EPA y otras el agua se clasifica para ciertos usos. 5.1 Propiedades fsicas, qumicas y biolgicas del agua subterrnea El agua subterrnea en condiciones naturales tiene caractersticas propias segn el lugar donde se encuentre. La legislacin peruana en cuanto a calidad y uso del agua se refiere, no diferencia entre agua superficial y subterrnea. Los valores admisibles para el agua en Peru se encuentran el la Reglamentacin a los ECAs y LMP para aguas segn los usos. Las caractersticas se pueden determinar en el campo y/o en el laboratorio mediante pruebas bien establecidas. 5.1.1. Temperatura Es una de las propiedades ms constantes del agua subterrnea. Por lo general vara entre los 10 y 20 Centgrados. La temperatura variar segn la zona donde se ubique (volcnica o glacial) o segn la profundidad a la que se encuentre (aumenta 1 C con cada 30m de profundidad). 5.1.2. Slidos totales disueltos TDS Toda el agua subterrnea tiene cierta cantidad de sales disueltas. Esta cantidad variar segn la zona donde se encuentre. La mayor parte de las sales disueltas provienen del medio, es decir del material del acufero por el cual el agua circula. Las aguas fsiles son las que mayores sales disueltas presentan. Pueden estar en solucin adems de sales, otros elementos solubles provenientes de suelos, fertilizantes y abonos naturales entre otros. Aunque el agua tenga niveles aceptables de sales disueltas, puede no ser apta para consumo humano debido a su color y contenido de materia orgnica. El agua subterrnea que se encuentra en rocas gneas tendr menos sales disueltas que aquella que se encuentre en rocas sedimentarias. Los slidos disueltos se miden en mg/litro o su equivalente ppm (referente a unidades de peso). El valor aproximado de Slidos Disueltos Totales, TDS, se obtiene multiplicando la conductividad elctrica por 0.6 (0.55 si el agua es cida y 0.75 si es salina). El valor de TSD es un ndice de adaptabilidad y uso del agua. Si contiene menos de 500 ppm de slidos disueltos, es adecuada para uso domstico e industriales. Aquella agua con ms de 1000 ppm presenta un sabor desagradable.


76

Tipo de Agua TDS

Fresca 0 1000 mg/l

Salobre 1000 10000 mg/l

Salina 10000 100000 mg/l

Salmuera > 100000 mg/l

5.1.3. pH Es la concentracin del ion hidrgeno en el agua que indica si la solucin es cida o alcalina. A mayor concentracin de hidrgeno, ms cida la solucin. El pH vara en el agua subterrnea entre 5.5 y 8. Una variacin fuera de estos rangos es indicadora de contaminacin. La escala reflejada por el pH es en funcin a 10 veces ms/menos que el anterior/siguiente. El pH bajo es muy comn en el agua cida (copajira). El agua que est en contacto con la naturaleza (agua de quebradas y/o bofedales) puede tener un pH hasta 5.5 que es considerado como normal ya que es natural por estar en contacto con materia orgnica. Este es un parmetro in situ indicador de la presencia o no de contaminacin. Se prefieren los datos de campo a los de laboratorio por las reacciones en el envase y transporte, etc.

Figura 5.1. Papel pH. 5.1.4. Dureza Depende del contenido de Calcio y Magnesio. La dureza elevada del agua se nota al no disolverse el jabn rpidamente. (Tarija). < a 50 ppm es suave, de 50 a 150 es normal y > a 150 ppm es dura. Estas sales disueltas son las que forman costras o capas blancas al evaporarse el agua dentro de calderas, vasos y en bocas de grifos. La dureza total se divide en dos tipos, la dureza de carbonatos (Ca y Mg) y la dureza de no carbonatos (Ca y Mg combinado con sulfatos, cloruros y nitratos). La dureza variar segn la zona y la gente se acostumbra a dichas variaciones. El agua puede ser ms o menos dura pero igual ser potable. El sabor vara. 5.1.5. Conductividad elctrica Es la habilidad de un fluido para conducir corriente elctrica. La conductividad elctrica especfica es el patrn que consta en el flujo de corriente por un centmetro cbico de agua.


77

El agua pura (destilada) es poco conductiva, pero conforme se le aade minerales en solucin, aumentar su conductividad. A mayor cantidad de iones, mayor conductividad. La conductividad elctrica se mide en uS/cm. Por lo general el agua subterrnea pura tiene valores por debajo de 100 uS/cm. Diferentes tipos de iones darn diferentes conductividades para una misma concentracin. Por ejemplo cierta concentracin de cloruro sodio dar 25 % ms conductividad que la misma concentracin de bicarbonato de calcio. La conductividad aumentar proporcionalmente a la temperatura del agua. El agua con una CE alta es corrosiva. En campo siempre que se mida la CE se mide la T. Los sensores modernos de CE transforman la CE para una T fija (25 C) para tener valores consistentes tomados durante todo un da a diferentes temperaturas. Este es un parmetro in situ indicador de la presencia o no de contaminacin.

Figura 5.2. pHimetro, Coductivmetro y Termmetro digital. 5.1.6. Contenido mineralgico Debido a que el agua subterrnea est en contacto prolongado con el medio a travs del cual fluye (sedimento o roca) y debido a que este medio es en cierto grado soluble, el agua inevitablemente termina conteniendo ciertos minerales en solucin. De igual manera debido al origen por infiltracin del agua subterrnea, esta tiene minerales disueltos ya desde el momento de su infiltracin. El contenido mineralgico del agua ya sea en tipo de elementos y/o la cantidad de los mismos, son determinantes a la hora de determinar el uso potencial de dicha agua. As mismo determinan el tipo de tratamiento que se le debe dar para poder volverla apta para cierto uso especfico. El contenido mineralgico de cierta agua se determina a travs del anlisis en laboratorio de una muestra representativa. El contenido mineralgico puede ser de 3 tipos segn su abundancia:

a) Elementos mayoritarios: Cationes: Ca, Mg, Na, K, Cl Aniones: Cloruro, Sulfato, Carbonato, bicarbonato, Si b) Elementos minoritarios: Fe, Mn, Fl, Nitrato, Bo c) Elementos traza: As, Pb, Cd, Cr.

Los elementos en solucin no siempre se hallan libres, sino a veces como compuestos. El contenido mineralgico cuantitativo se determina a travs de la medicin del total de slidos disueltos. El contenido descriptivo solo se logra a travs de un anlisis de laboratorios.


78

5.1.7. Contenido biolgico El agua puede contener diferentes bacterias a pesar de ser incolora, insabora y estar fresca. La nica forma de conocer el contenido cualitativo y cuantitativo de bacterias en el agua, es a travs del anlisis bacteriolgico del agua en laboratorios especializados. En el caso de la contaminacin bacteriolgica se ha probado cientficamente que el medio, muchas veces, sirve de filtro purificador y a cierta profundidad y/o distancia de la fuente de contaminacin bacteriolgica, el agua resulta ser pura y sin rastro de bacterias. El contenido de oxgeno disuelto en el agua es inversamente proporcional al contenido de desechos humanos y animales. Es adems importante en la parte ambiental. Cuando los nutrientes del agua en lagos disminuyen a niveles donde la vida acutica (flora y fauna) ya no puede existir, se denomina eutrofizacin. La cantidad de contenido orgnico en el agua se refleja en el contenido de oxigeno disuelto de la misma.

Figura 5.3. Laboratorio porttil de anlisis de agua. 5.2 Clasificacin y uso del agua subterrnea El agua se clasifica en rangos de calidad y uso segn el contenido de elementos qumicos (slidos, lquidos o gaseosos) y la concentracin de los mismos que tenga. La calidad del agua que ingiere el ser humano, sea esta superficial o subterrnea, determina la calidad de su vida. 5.2.1. Parmetros determinantes de la calidad del agua Los nitratos y cloruros provienen generalmente de zonas de aguas residuales (nitratos), agrcolas (cloruros) y de granjas (cloruros). 5.2.1.1. Cationes Sodio.- Es un metal alcalino. Es el nico elemento que se encuentra en cantidades significativas en el agua natural. Por ej. El agua de mar (10000 ppm). Si bien el sodio es el catin ms abundante en el agua de mar, el agua subterrnea no puede contener ms de unas pocas ppm con relacin a los cientos de ppm de slidos disueltos. El sodio cuando est como elemento libre es muy soluble de modo que es desprendido fcilmente de suelos y rocas. Cuando est como compuesto qumico en solucin tiene un comportamiento muy diferente. Calcio.- Magnesio.- Potasio.-


79

5.2.1.2. Aniones Cloruro.- Es muy abundante en la naturaleza, en especial el agua de mar alcanzando 19000 ppm. Por lo general en el agua subterrnea no excede los 5 ppm. El cloruro proviene de muchas fuentes desde volcanes hasta de fertilizantes, suelos y rocas. Su concentracin vara segn la ubicacin geogrfica (en agua de lluvia USA 1ppm, Inglaterra 6ppm). Para la mayora de los propsitos menos de 150 ppm es ideal; ms de 250 ppm ya no es adecuado para usos municipales; ms de 350 ya no es conveniente para uso industrial y ms de 500 ppm ya tiene un sabor desagradable y no es utilizable. El ganado puede consumir agua hasta con 4000 ppm de cloruro. El contenido de cloruro elevado en el agua subterrnea es seal de contaminacin. Sulfato.- El sulfato que se encuentra en el agua subterrnea proviene principalmente del yeso (sulfato de calcio dihidratado) que se encuentra en el medio (litologa del acufero). Puede tambin derivarse de la descomposicin de la pirita (FeS). Cuando existe sulfato de magnesio y sodio le dan un sabor amargo al agua y pueden tener un efecto laxante en las personas. Carbonato.- Bicarbonato.- Slice.- El agua subterrnea puede contener hasta 100 ppm de SiO2. El slice constituye una parte importante de las incrustaciones o costras formadas por algunas aguas. Las costras de slice no pueden ser disueltas por cidos ni otros reactivos qumicos. 5.2.1.3. Elementos minoritarios Los elementos o constituyentes menores son aquellos que estn presentes en el agua, pero en concentraciones reducidas. Hierro.- Es muy abundante en el agua subterrnea. El agua potable no debe tener mas de 0.3 ppm. El contenido de hierro es determinante para el potencial uso del agua. El agua estancada tiene mayor contenido de hierro, que al entrar en contacto con aire precipita. El principal efecto del hierro en el agua es que genera bacterias oxidantes que destruyen la tubera de los pozos. Manganeso.- Se presenta en menor concentracin que el hierro aunque su comportamiento qumico sea similar. Sus precipitaciones son perjudiciales para la tubera de los pozos. Fluoruro.- Se presenta solo en pequeas concentraciones disueltas de la litologa del medio del acufero. Su concentracin en agua que beben los nios es muy importante ya que su exceso o dficit puede producir defectos dentales. Su concentracin ptima es de 1 ppm. Nitrato.- La concentracin del nitrato vara mucho en el agua subterrnea. Proviene generalmente de desechos vegetales, fertilizantes, desperdicios animales, letrinas, pozos ciegos y granjas. Por su origen es un indicador de contaminacin. Concentraciones mayores a 45 ppm son indeseables para fines domsticos. Boro.- Elemento tpicamente encontrado en zonas ridas y semi-ridas. En concentraciones reducidas es favorable para la agricultura, pero a mayor concentracin de 1 ppm se torna perjudicial. 5.2.1.4. Elementos traza Son elementos que se presentan en cantidades muy reducidas. Aunque estas de igual forma pueden ser dainas para el ser humano. Arsnico.- Plomo.- Cadmio.- Cromo.- En el caso de los elementos traza, concentraciones del orden del microgramo/litro ya se consideran anormales (contaminacin). 5.2.1.5. Gases disueltos


80

El contenido de gases disueltos en el agua es mnimo. Cuando existe el caso en que su concentracin es considerable, pueden ser determinantes en el uso y utilizacin del agua. Los elementos gaseosos que se encuentran disueltos son el oxgeno, el sulfuro de hidrgeno, el dixido de carbono, el nitrgeno, el dixido de azufre y el amoniaco. El principal efecto del contenido de gases en el agua es la corrosin sobre las tuberas de los pozos. 5.2.2. Estndares de aceptacin de parmetros Debido a que el contenido mineralgico del agua subterrnea puede variar ampliamente de un sector a otro y debido a que el contenido de ciertos elementos es determinante para el uso potencial del agua, como ser para consumo humano, riego, industrial, etc. y para la salud humana. Se han establecido parmetros de lmites mximos permisibles para el agua segn su potencial uso. La Organizacin Mundial de la Salud OMS (WHO, por sus siglas en ingls) ha publicado una tabla con los estndares y lmites permisibles para cada elemento que puede estar en solucin en el agua segn el uso que se tenga previsto. De igual manera las agencias de proteccin ambiental de muchos otros pases. Peru tiene su propia tabla de Estndares de Calidad Ambiental (ECA) y Lmites Maximos Permisibles (LMP) . Estos Estandares se encuentran en el D.S. N 002-2008/MINAM y los Lmites Maximos Permisibles es segn el tipo de efluente, asi para plantas de tratamiento de aguas residuales se encuentran en el D.S. 001-2010/MINAM. 5.2.2.1. Cationes Prctica de comparacin de estndares de calidad ambiental y lmites permisibles. 5.2.2.2. Aniones Prctica de comparacin de estndares de calidad ambiental y lmites permisibles. 5.2.2.3. Elementos minoritarios Prctica de comparacin de estndares de calidad ambiental y lmites permisibles. 5.2.2.4. Elementos traza Prctica de comparacin de estndares de calidad ambiental y lmites permisibles. 5.2.3. Clasificacin qumica del agua y su representacin grfica El agua se clasifica qumicamente en varias categoras segn su contenido mineralgico, es decir segn los elementos que contenga y segn la concentracin de estos. La clasificacin se hace en funcin a los resultados obtenidos de anlisis de laboratorio. Existen varios tipos de grficos que muestran la composicin qumica y clasificacin qumica del agua. 5.2.3.1. Grficos de Stiff Son diagramas que en funcin a la presencia de Ca, Mg, Na+K, F, CO3+CO3, SO4, Cl y NO3 (en Miliequivalentes por litro) clasifican al agua en ciertos tipos, que a su vez tienen una figura (geometra del diagrama) tpica. Los diagramas se elaboran ploteando (graficando) la concentracin de los elementos en un formato establecido y luego unindolos asta formar una figura geomtrica cerrada. NOTA: Existen varios programas de computacin en el mercado que verifican automticamente los resultados de laboratorio a travs de un balance inico, e identifican el tipo de agua segn el Diagrama de Stiff.


81

Figura 5.4. Grfico de Stiff Figura 5.5 Grfico de Stiff. 5.2.3.2. Grficos de Piper Es un diagrama tri-lineal que en funcin a la presencia de Ca, Mg, Na+K, HCO3+CO3, SO4, y Cl (en % de Miliequivalentes por litro) clasifican al agua en ciertos tipos. Los tipos de agua subterrnea son: a) Ca-SO4.- tpicas de ambientes de yeso y drenaje de minas. b) Ca-HCO3.- Tpicas de acuferos someros y de agua fresca. c) Na-Cl.- Tpicas de ambientes marinos y aguas connotas. d) Na-HCO3.- Tpicas de acuferos profundos de agua fresca influenciadas por intercambio inico. El diagrama consiste en tres figuras geomtricas donde los vrtices representan el 100% en concentracin de cada uno de los tres grupos de cationes y aniones. La clasificacin se elabora convirtiendo los valores de cada uno de los grupos de elementos a porcentaje del total de concentracin de cationes y aniones respectivamente. Luego plotendolos en los tringulos de cationes y aniones y en el rombo de iones respectivamente, por ultimo se identifica a que categora corresponde la muestra de agua segn el sector de las figuras geomtricas donde se ploteo los puntos.


82

Figura 5.6. Grfico de Piper. NOTA: Existen varios programas de computacin en el mercado que verifican automticamente los resultados de laboratorio a travs de un balance inico e identifican el tipo de agua segn el Diagrama de Piper. Existen otras clasificaciones qumicas difundidas que son las de Stuyfzand y Wilcox. Para convertir datos en mg/l a meq/l se debe utilizar la siguiente frmula: mg/l * (1 / peso miliequivalente) PRACTICA: Manejo de software de grafica de calidad de agua subterrnea (Aquachem, Excel, etc.) 5.2.4. Usos del agua El agua es apta para diversos usos y no apta para otros usos, segn su contenido mineralgico y bacteriolgico. Es decir segn los elementos que contenga y sus respectivas concentraciones y segn el tipo de bacterias que contenga. El agua de la categora de mayor exigencia, puede ser utilizada para los fines restantes, pero no as viceversa. Estandares de Calidad Ambiental (ECA) En Peru los estandares, que sirven para categorizar el agua y asignarle su posible uso se presentan en el D.S. N 002-2008/MINAM. 5.2.4.1. Agua para Uso Poblacional y Recreacional El agua de categoria 1 segn el ECA es apta para uso Poblacional y Recreacional, segn el tipo de tratamiento que se aplique, especificado en dicho Reglamento. 5.2.4.2. Agua para Actividades Marino Costeras El agua de categora 2 es para las actividades Marino Costeras 5.2.4.3. Agua para Riego de Vegetales y Bebida de Animales El agua de categoria, 3 segn los ECA del MINAM, tiene ciertas caractersticas que la hacen apta para riego de cultivos. Adicionalmente existen otros parmetros para determinar la calidad y aptitud


83

del agua para fines de riego. Para saber si cierta agua es apta para riego se utiliza el ndice RAS (SAR en ingles), es decir el ndice de Relacin de Adsorcin de Sodio, que matemticamente es la razn de concentracin de sodio sobre la raz cuadrada de la sumatoria de las concentraciones de calcio y magnesio. Cuando el ndice SAR es menor a 1 el agua es de buena calidad y apta para riego. La relacin de Na, Ca y Mg es importante debido a que el sodio disuelto en el agua se intercambia con el calcio y el magnesio del suelo y precipita generando salinizacin del suelo. LIMITES MAXIMOS PERMISIBLES (LMP) Los Limites Maximos Permisibles estan dados segun el MINAM, para los diferentes usos en toda actividad industrial, desde fbricas, hasta minera. El uso que se le da al agua en cada proceso especfico industrial impone sus propios lmites de maximos permisibles en los efluentes. NOTA: La aptitud y potencial uso del agua se hace en funcin al contenido mineralgico de dicha agua obtenido de los resultados del anlisis de laboratorio. Existen varios programas de computacin en el mercado que verifican automticamente los resultados de laboratorio a travs de un balance inico, determinan el ndice SAR e identifican el potencial uso de agua. Estos programas se pueden realizar en Excel y/o Access tambin, o tener su ambiente propio. 5.3 Muestreo de agua subterrnea El muestreo de agua subterrnea sigue bsicamente las mismas lneas, cuidados y protocolos que existen para el agua superficial. Las muestras de agua subterrnea solo se pueden tomar de pozos o manantiales. 5.3.1. Diseo de campaa de muestreo El diseo de la red de muestreo est limitado por la presencia de pozos y/o manantiales. En caso de existir un campo de pozos (cierta rea con alta densidad de pozos), se eligen los pozos en funcin al objetivo del muestreo y al presupuesto. - Si se desea establecer una lnea base, se elegirn los pozos de tal manera que cubran la mayor rea posible. El nmero variar segn el presupuesto disponible. - Si se desea estudiar la dispersin de cierto contaminante, se elegirn pozos ubicados segn la direccin del flujo del agua (segn el mapa piezomtrico y las lneas de flujo del agua subterrnea) intentando rodear la pluma de contaminacin y tomar muestras a lo largo del centro de su eje. El muestreo ser ms denso. Una vez ms la cantidad de muestras depender del presupuesto disponible. 5.3.2. Tcnicas para el muestreo de agua subterrnea Existen dos tipos de ocurrencia (manifestacin) de agua subterrnea en la superficie. La primera es a travs de manantiales donde el agua subterrnea surge a la superficie o de pozos de dimetro ancho, as como norias, pozas, etc. La segunda es a travs de pozos perforados de dimetro variable (desde 2) que comunican con niveles piezomtricos profundos. El anlisis fsico, qumico y biolgico de las muestras de agua subterrnea puede hacerse de forma cualitativa y semi-cuantitativa en el campo por medio de titulaciones colorimtricas. 5.3.2.1. Manantiales El agua que emana de manantiales o se encuentra pozos de dimetro grande, norias, pozas, etc. es muestreada con los protocolos y cuidados de cualquier toma de muestras de agua superficial. 5.3.2.2. Pozos


84

Para obtener muestras de agua de pozos existe un equipo especial llamado muestreador de aguas subterrneas (bailer en ingls). Para que la muestra sea representativa del agua del acufero de inters, se debe purgar o lavar el pozo extrayendo de 1 a 5 veces el volumen del pozo, tal que el agua estancada sea sacada y el pozo se llene con agua fresca del acufero. Solo entonces la muestra de agua podr ser considerada como proveniente del acufero y por tanto representativa.

Figura 5.7. Kit de muestreo de agua subterrnea 5.4 Calidad del agua Cuando el agua es afectada por fenmenos naturales o por la actividad humana y su calidad deja de ser aquella previa a la afeccin se dice que esta contaminada. Cuando el agua tiene elementos en concentraciones mayores a las establecidas por leyes y normas se dice que est contaminada. En el primer caso se denomina contaminacin natural. Segn la calidad natural del agua subterrnea existen tres tipos de agua: a) Actuales y potenciales fuentes de agua para consumo humano. b) Agua no potencial para consumo humano. c) Aquellas altamente vulnerables a la contaminacin debido a la hidrogeologa donde se encuentra. Las leyes por lo general protegen ms a aquella de la categora C. PRACTICA: Averiguar los estandares de calidad ambiental y limites mximos permisibles del MINAM PERU, de la OMS, UE y EPA y compararlos. Resaltar las diferencias, en elementos y limites, y explicar el porque de estas). Cmo se relacionan los conceptos de: caractersticas


85

6. EXPLORACIN DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS La bsqueda de recursos hidrogeolgicos puede ser enfocada desde dos puntos de vista: a) Emprico.- Se basa en la experiencia y el conocimiento adquirido a travs de tiempo. En base a

similitud de caractersticas geogrficas, geolgicas e hidrogeolgicas se determinan puntos con ocurrencia potencial de agua subterrnea. Generalmente cuando se aplica este enfoque, el objetivo es determinar un sitio para perforar un pozo. La profundidad a la cual se podra encontrar agua es estimativa y solo en base a pozos de la zona.

b) Cientfico.- Se basa en un estudio hidrogeolgico integral que es la conjuncin de varios estudios de temas relacionados a la hidrogeologa y su interpretacin integral.

6.1. Estudios hidrogeolgicos Los estudios hidrogeolgicos integrales son la combinacin de varios estudios especficos, relacionados a la ocurrencia de agua subterrnea, que proporcionan informacin tcnica que al ser interpretados de manera conjunta, permiten entender a detalle las caractersticas hidrogeolgicas de cierta zona. Este tipo de estudio integral permite identificar zonas con potencial para la ocurrencia de agua subterrnea, las caractersticas hidroqumicas del agua, la delimitacin 3D del acufero, la identificacin de zonas de recarga y descarga, la elaboracin del mapa hidrogeolgico, estudios geofsicos, la perforacin de pozos exploratorios, de produccin y de monitoreo, estudios de vulnerabilidad. Adicionalmente permite elaborar un modelo matemtico del acufero y un plan de manejo del mismo. 6.1.1. Procedimiento de un estudio hidrogeolgico Los pasos que se siguen para la bsqueda de recursos hdricos subterrneos por medio de estudios hidrogeolgicos parciales o preliminares y para la caracterizacin hidroqumica del agua de la zona son: Recopilar o elaborar, si fuese necesario, los siguientes mapas y realizar las siguientes tareas: 1. Mapa topogrfico.- Se identifican y marcan todos los cuerpos de agua (ros, lagos, represas, riachuelos, etc), tal que se genere un mapa hidrogrfico. Se delimitan las cuencas y subcuencas hidrogrficas. Se delimitan zonas pobladas y otras de inters 2. Mapa geolgico.- Se identifican unidades de diferentes litologas. NOTA: Los lugares y litologas con mayor potencial de contener agua subterrnea en acuferos libres y /o confinados respectivamente son: Litologas no consolidadas y porosas: Abanicos aluviales, Calizas, Orillas de ros, Desembocaduras de cuencas hidrogrficas, etc. Litologas fracturadas: Areniscas, Rocas volcnicas, Rocas intrusivas, etc. 3. Mapa de uso de tierra y cobertura vegetal.- Se identifican y delimitan areas con diferente uso de tierra y cobertura vegetal. Esto se hace utilizando fotografas areas o imgenes satelitales. Las diferentes reas se verifican en el campo. 4. Mapa de suelos.- Se delimitan unidades edafolgicas (tipos de suelos) diferentes. En el campo se realizan pruebas de infiltracin en cada tipo de suelo.


86

Si es que se puede y el presupuesto lo permite, se toman muestras de suelo para hacerles pruebas de porosidad, permeabilidad y conductividad hidrulica en laboratorio.

Figura 6.1. Juego de perforacin tipo auger.

Figura 6.2. Muestreador digital de humedad del suelo. 5. Mapa hidrogeolgico.- Este mapa servir de mapa base para la ubicacin de zonas potenciales para: La ocurrencia de agua subterrnea de acuferos libres, definir los lugares para hacer exploracin geofsica (ver mtodos de exploracin) y definir los lugares ptimos para la perforacin de pozos (ver Capitulo 7). El mapa hidrogeolgico se hace principalmente sobre la base del mapa geolgico, donde cada tipo de litologa corresponde a una clase de litologa ms o menos favorable para la ocurrencia de acuferos, segn la leyenda establecida por la UNESCO. NOTA: El mapa hidrogeolgico muestra zonas con diferente potencial hidrogeolgico, ya sea desde el punto de vista de la ocurrencia de acuferos libres o de la recarga de acuferos. Este mapa no indica donde hay presencia de agua, sino donde posiblemente esta ocurra. 6. Mapa de isoyetas.-


87

Este mapa muestra la distribucin espacial de la precipitacin. Existen varios mtodos, como el de Interpolacin con polgonos de Thiessen, Interpolacin de valores con isolneas y finalmente el de Correlacin por altura. 7. Inventario de cuerpos y fuentes de agua.- Se realiza un inventario de cuerpos y fuentes de agua en el campo, es decir se georeferencian los cuerpos de agua y se toman muestras de agua superficial y subterrnea para realizar sus respectivos anlisis fsico, qumico y si fuese necesario bacteriolgico. 8. Mapa Hidroqumico.- Muestra la ubicacin de los lugares donde se tomaron muestras de agua con un cdigo que vincula a la tabla de resultados qumicos de laboratorio o con un diagrama de Stiff en el lugar de la toma de muestra. Presentacin Estudios hidrogeolgicos integrales.

Figura 6.3. Imagen satelital para identificacin de zonas de recarga y descarga, etc.

Figura 6.4. Anlisis de correlacin entre Precipitacin y Nivel fretico. (Cortez, 2004).


88

Figura 6.5. Anlisis entre Precipitacin y Evapotranspiracin Potencial. (Cortez, 2004).

Figura 6.6. Anlisis del hidrograma para determinar el flujo base caudal base. 6.2. Mtodos y tcnicas de exploracin de recursos hdricos Existen varios mtodos y tcnicas que facilitan la exploracin de recursos hdricos subterrneos. Estos mtodos pueden ser invasivos o no invasivos. Los mtodos y tcnicas de exploracin tradicional no invasiva y ejecutadas desde la superficie solo indican la ubicacin de cierta litologa favorable para la ocurrencia de agua. No indican la presencia real de agua ni su calidad. Algunos mtodos recientes ya indican la cantidad de agua y la calidad de agua se limita a clasificarla como agua dulce o salada. En cuencas semi-ridas y ridas se debe considerar que las cuencas hidrogrficas pueden ser diferentes de las cuencas hidrogeolgicas.


89

6.2.1. Sobreposicin de mapas Es una tcnica que existe desde principios del siglo XX. Se aplic fundamentalmente a la minera. Recin a partir de 1980 que se la aplic a estudios de hidrogeologa y en Peru recin a partir de 1995. La tcnica consiste en la sobreposicin de mapas temticos digitales bajo un SIG. Esta sobreposicin se puede hacer de forma visual matemtica. En el caso visual solo se pueden observar momentneamente e inferir resultados. En el caso de las operaciones matemticas se puede obtener un nuevo mapa como resultado de dichas operaciones con los datos de uno o varios mapas temticos a la vez. Hoy en da esta tcnica se practica utilizando Sistemas de Informacin Geogrfica SIG como la herramienta que permite utilizar varios mapas temticos de una misma zona y sobreponerlos segn sea requerido. La tcnica es aplicable con mayor versatilidad cuando se trabaja en formato raster y no vectorial.

La tcnica en ingls es conocida como GIS map overlay.

Figura 6.7. Esquema del principio de la tcnica de Sobreposicin de mapas en SIG.


90

6.2.2. Geofsica La geofsica es una ciencia que estudia las propiedades fsicas de los sedimentos y las rocas y aprovecha dichas propiedades para identificar litologas favorables para la ocurrencia de acuferos libres y confinados. Existen varios mtodos de estudio geofsico, entre los ms utilizados para la exploracin de agua subterrnea estn el mtodo geoelctrico (Sondeo elctrico vertical, SEV) y el mtodo magntico (Resonancia Magntica, SRM). Sondeo elctrico vertical, SEV El mtodo consiste en introducir corriente elctrica al subsuelo hasta la profundidad deseada y medir la resistividad de las diferentes capas dentro de el. En base a estas resistividades se determina a que profundidad existen formaciones geolgicas con las condiciones necesarias para poder contener agua dulce. La resistividad de los materiales naturales vara ampliamente. En tanto que en el granito compacto puede alcanzar valores del orden de 106 ohm-m, en las arcillas saturadas de agua salada puede llegar a slo 1,0 ohm-m.

MATERIALES RESISTIVIDAD (ohm-m) o ( -m) Margas Calizas Pizarras Granito Arcillas Arenas Conglomerados Areniscas Aluviones

50 - 5 000 300 - 10 000 100 - 1 000

300 - 10 000 1 - 20

50 - 500 1 000 - 10 000

50 - 5 000 50 - 800

En general, los minerales slidos, tales como el cuarzo y el feldespato, son altamente resistivos, mientras que las salmueras tienen las ms bajas resistividades. El mtodo SEV solo indica la profundidad a la cual ocurre una litologa favorable para la presencia de agua subterrnea. No indica su presencia, generalmente calidad ni cantidad aprovechable. Cuando se conoce de la existencia de agua en alguna formacin, el SEV puede indicar si esta es fresca o salina. Se utilizan distintas configuraciones electrdicas, entre las cuales las de Wenner y de Schlumberger son las ms comunes (fig. 6.8). El dispositivo Wenner tiene la ventaja de ofrecer una relacin ms directa entre la separacin de los electrodos y la profundidad de penetracin de la corriente. Por su parte, la configuracin Schlumberger, para una separacin dada de los electrodos exteriores, permite una definicin ms clara de las condiciones del subsuelo, necesitndose menos peones debido a que los electrodos centrales no se desplazan en cada medida.


91

Fig. 6.8 (a). Dispositivos electrdicos Schlumberger y Wenner. La peculiaridad de estos mtodos es la relacin matemtica existentes en el espaciamiento de los dos tipos de electrodos que es la siguiente:

a = V/ a= Resistividad aparente en Ohm-m (m). = Constante geomtrica que depende de la separacin de los electrodos. = Es la intensidad de corriente circulante en el terreno en miliAmperios (mA) V= Diferencia de potencial en los electrodos MN, en milivoltios (m.V.). = (AMxAN) pi / MN Durante las medidas se movilizan solo los electrodos de corriente AB, hasta un mximo que no

exceda la relacin matemtica: AB/3 MN Una vez que se llega a estos lmites, se realiza doble lectura para la misma posicin de los electrodos AB, e incrementando el espaciamiento de los dos tipos de electrodos MN como muestran las hojas de campo de los SEV. Sondeo de Resonancia Magntica, MRS Este mtodo se dio a conocer en 1995 y aunque aun es experimental ya cuenta con varios casos reales de xito. Consiste en enviar ondas magnticas desde la superficie hacia el subsuelo, a diferentes profundidades, que excitan las molculas de Hidrgeno del agua. Al detenerse la excitacin externa las molculas de hidrgeno del agua desprenden un campo magntico hasta retornar a su estado natural. El campo magntico generado es directamente proporcional a la cantidad de agua y la porosidad efectiva presente a la profundidad estudiada. (Durn J.J., 2007; Boletn Geolgico y Minero, Volumen 118). El mtodo es sugerido ms que para exploracin regional, para estudios en acuferos especficos. Este mtodo es aun muy caro y requiere de calibracin para diferentes regiones del mundo, por lo que aun no se utiliza en Peru. Debido a su potencial para reemplazar las pruebas de bombeo


92

(implicando perforacin de pozos), tomar un rol importante en el futuro de la hidrogeologa. El mtodo identifica la presencia y cantidad de agua, no de su calidad. 6.2.3. Perforacin de pozos Es la tcnica que por muchos aos ha sido, y en gran parte del mundo aun es la nica que permite conocer con certeza si hay presencia de agua subterrnea o no es la perforacin de pozos. El punto donde se recomienda perforar un pozo exploratorio se hace en base a los resultados de la geofsica que indican la profundidad hasta la cual se debe perforar para interceptar alguna litologa que potencialmente pueda contener agua subterrnea.

Figura 6.9. Equipo de perforacin. Figura 6.10. Equipo de perforacin

Figura 6.11. Equipo de perforacin. Ejercicio de SEV y Logeo de datos de perforacion


93

7. EXPLOTACIN DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS Una vez que se conoce en que lugar geogrfico puede existir agua subterrnea, la tarea a continuacin es acceder a ella y extraerla para su uso. Existen varias formas y mtodos de captar el agua subterrnea. Estas varan de acuerdo a la ubicacin geogrfica, profundidad a la que el agua se encuentra, el propsito del agua y al tipo de litologa del medio donde se encuentra el agua. 7.1. Mtodos de captacin Existen diferentes mtodos de captacin de agua subterrnea que varan segn la profundidad a la que sta se encuentra. a) Para agua cerca de la superficie se pueden utilizar:

7.1.1. CAPTACIONES HORIZONTALES Son excavaciones casi horizontales que se internan en las formaciones permeables hasta llegar a la zona saturada, de donde captan el agua y la conducen o bien a la superficie o a un pozo colector. Si bien su construccin es relativamente complicada y/o costosa, la produccin de agua en general es barata, puesto que la mayora lo obtiene por gravedad, o sea sin consumo de energa. Cabe distinguir dos tipos de estas estructuras: las zanjas de captacin y las galeras filtrantes.

Galera filtrante Son excavaciones (trincheras o canales) subterrneas de forma simtrica, alargada y horizontal que se construyen de forma perpendicular a la direccin del flujo del agua subterrnea, de tal forma que el agua se infiltre hacia la galera y pueda ser captada. En uno de los extremos de la galera se construye una cmara de captacin que sirve para que el agua captada por infiltracin se acumule por gravedad y se pueda extraer de forma manual o mecnica. Generalmente se construyen por debajo del lecho de un ro, es decir en el sedimento que es un medio poroso y permeable; Tambin se pueden construir en ambientes que no sean lechos de ro.

Figura 17. Esquema de una galera filtrante en terreno suelto


94

Naturalmente la disposicin de las galeras filtrantes es tan variable como pueden serlo los propios acuferos y las condiciones topogrficas; algunos ejemplos se muestran en la Figura 18.

Figura 18. Esquema de Galerias Infiltracion. (a) paralelo a rios y (b) en lecho de rio

Tubo de infiltracin o ranurado, rodeado de una capa de granzn o piedra picada gradada, instalada en el acufero subsuperficial, o en el caso de captacin indirecta de aguas superficiales, en el estrato permeable que se comunica con dichas aguas. En los extremos aguas arriba de la galera y a longitud aproximada de 50 m., normalmente se coloca un pozo de visita. En el extremo aguas abajo se construye una tanquilla o pozo recolector, de donde se conducen las aguas por gravedad o por bombeo hacia el sistema de distribucin (ver Figura 7.1).

Figura 7.1: Tubo de infiltracin Las zanjas de captacin o drenes son excavaciones, generalmente en materiales no consolidados, realizadas desde la superficie hasta llegar a la zona saturada, evacuando el agua captada por gravedad si la pendiente lo permiten, o por bombeo en la propia zanja o en un pozo colector (ver Figura 19). Actualmente se pueden excavar fcilmente hasta algunos metros de profundidad utilizando mquinas zanjadoras o retrocavadoras, Su penetracin en el acufero suele ser limitada (por los problemas de desagote) y en consecuencia los


95

caudales se ven afectados por las fluctuaciones de la superficie fretica, pudiendo llegar a cero en perodos de sequa pronunciada.

Figura 19. Zanja de captacin con pozo colector El tubo de recoleccin es normalmente de PVC, concreto o de asbesto cemento. Su dimetro es funcin del gasto de captacin, siendo el mnimo recomendable del orden de 8 a 10. La galera de infiltracin se orienta de acuerdo con la direccin predominante del flujo subterrneo. La longitud de la tubera de infiltracin se calcula en funcin del caudal unitario, utilizando la siguiente frmula:

u

QL Q=

22ln( )

u

K aQa

r

pi =

Donde: L = Longitud de la tubera de infiltracin en m Q = Caudal a captar en l/s Qu= Caudal por unidad de longitud en l/s-m k = Coeficiente de permeabilidad en l/s-m2 a = Profundidad a la que se encuentra el conducto respecto al nivel de agua en m. ver Fig 7.2 r = Radio del conducto en m


96

Figura 7.2: Detalles del tubo filtrante

El nmero de orificios se determina utilizando la siguiente expresin:

An

a=

u

e c

QAV C

=

2

4d

api

=

Donde: n = Nmero de orificios por metro A = rea de flujo en m2 a = rea de cada orificio en m2 Qu = Caudal unitario en m3/s-m ve = Velocidad de entrada a los orificios en m/s ve = 0,05 a 0,10 m/s Cc = Coeficiente de contraccin por orificio. Cc = 0,55 d = Dimetro del orificio en m Noria (Tacapis o Ccochas) Es un orificio vertical excavado manual o mecnicamente en la tierra cuyo fin es exponer la napa fretica para el aprovechamiento del agua subterrnea del acufero libre. Pueden tener varios metros de dimetro (>2m) y profundidad (dependiendo del nivel fretico).


97

Obras de mampostera La ms comn es el Dique, que generalmente son muros de piedra y cemento o tipo gaviones (piedra acomodada dentro de canastas de malla de alambre tejido). Se construyen cortando el lecho de un ro, de forma perpendicular al flujo del agua, de tal forma que se hace una represa superficial, en el caso que el muro sea construido por encima del cauce del ro, subterrnea en el caso que sea construido dentro del lecho del ro. La altura del dique depende da la cantidad de agua que se desee retener, si es superficial, del espesor del sedimento del lecho del ro. Aunque no es muy comn, estos diques tambin se pueden hacer en ambientes que no sean ros, creando reservorios de agua subterrnea. Excavacin y perforacin de pozos someros Un pozo es un orificio cilndrico vertical excavado manual o mecnicamente en la tierra desde su superficie. Su dimetro vara segn sea perforado manual o mecnicamente, desde unos cuantos centmetros hasta ms de un metro (norias) y desde unos cuantos centmetros hasta unos 10cm respectivamente. La profundidad a la que alcanzan depende segn se intercepte el nivel fretico un acufero a mayor profundidad (desde 30m hasta unos 50m). Las paredes de los pozos someros (hasta 10 m) pueden estar revestidas con piedras, anillos de cemento o goma a fin de sostener las mismas y evitar su derrumbe; aquellas de pozos un poco ms profundos (< 50m) se revisten con tubera plstica o metlica. b) Para agua ubicada a profundidad:

7.1.2. POZOS RADIALES En algunos pases los pozos radiales o de drenes horizontales tienen amplia difusin sobre todo cuando se desea extender el radio efectivo para aumentar el caudal especfico de la captacin. Son los denominados pozos Ranney, Fehlmann o Preussag segn su mtodo constructivo para instalar los drenes. En el sistema Ranney las perforaciones radiales se realizan con los mismos tubos filtrantes definitivos, que as quedan ya directamente instalados. Por tal razn, dichos tubos han de ser


98

de acero, con paredes gruesas y las ranuras de forma alargada en el sentido longitudinal de los mismos.

Figura 20. Pozo radial

7.1.3. POZOS VERTICALES Se denominan pozos verticales a todos aquellos que se proyectan y construyen para obtener agua por penetracin vertical de una capa acufera. Por su bajo costo y facilidad constructiva, los pozos cavados manualmente o jageles, son muy comunes en las reas rurales. El dimetro generalmente es superior a un metro, y la profundidad vara segn la regin entre unos pocos metros hasta varias decenas. Dentro de los considerados pozos menores es comn construir mecnicamente pozos de dimetro reducido, frecuentemente de poca profundidad y destinados a bombas manuales y/o molinos.

El proyecto de un pozo vertical de alta capacidad requiere la definicin de varios parmetros ligados entre s. Como cuestin previa ha de plantearse el objetivo del pozo respecto al acufero a explotar: si slo se desea extraer un determinado caudal o se quiere alcanzar el mximo posible que permita el acufero. Un buen proyecto ser aquel con el que se consiga un adecuado equilibrio entre eficiencia, vida til y costos.


99

Los parmetros a tener en cuenta son los siguientes: Profundidad. Mtodo de perforacin. Entubado. Dimetro. Filtro y prefiltro de grava. Desarrollo. Proteccin sanitaria.

Figura 21. Pozos perforados con diferentes entubados Para propositos de diseo de pozos, los acuiferos pueden ser divididos en tres principales clases: (a) acuiferos cristalinos; (b) acuiferos consolidados; (c) acuiferos no consolidados.


100

Figura 22. Diseo de pozo para acuiferos cristalinos. (a) unweathered and (b) weathered

Figura 23. Diseo de pozo para acuferos consolidados. (a) superficial y (b) profundo


101

Figura 24. Un diseo para un sistema de acufero multiple consolidado

Figura 25. Diseo pozo para acuiferos no consolidados. (a) superficial, no confinado y (b) profundo, confinado


102

7.1.3. Perforacin de pozos Es el proceso mediante el cual se abre un orificio, de forma cilndrica, que atraviesa las formaciones geolgicas verticalmente hasta interceptar el acufero de inters. Tabla 7.1: Resumen general de Metodos de Construccion de Pozos

En general se pueden hacer de forma semi-mecanizada (manual con herramientas especiales) o mecanizada (con maquinas perforadoras). El proceso completo que se sigue a fin de tener acceso al agua subterrnea una vez conocido el sitio donde se perforar y construir el pozo de agua es el siguiente: 1. Movilizacin, instalacin y preparacin de faenas.- Una vez seleccionado el punto donde el pozo deber ser perforado se moviliza el equipo de perforacin que consiste mnimo de un camin perforadora, un camin cisterna y un vehculo liviano de apoyo y el personal que por lo general consta de unas 5 personas. Una vez ubicada la maquina perforadora se cavan, junto a ella, manualmente dos pozas de decantacin de lodo de 1m de lado y 1.5m de profundidad, una zanja o canal que une el punto de perforacin con las pozas y se instala un tanque porttil de agua. El rea ocupada con la instalacin de todo el equipo y requerimientos para la perforacin, que no supera los 150m2 (cuadrado de 10m x 15 m), se delimita con postes y cintas de sealizacin, (Fotos). La instalacin y preparacin no dura ms de un da. La mayora de las veces ya existe camino o huella hasta el punto de perforacin, en caso que sta no existiera, se la hace durante el ingreso y trnsito de los vehculos del equipo de perforacin. Aunque generalmente no es el caso, puede ser necesario habilitar una plataforma (area para el trabajo) si el terreno no es relativamente plano. Existen tcnicas que permiten proteger el medio ambiente (suelo y agua) afectado durante la preparacin de las faenas de perforacin.


103

Figura 7.1. Movilizacin y cavado de fosas. Figura 7.2. Preparacin perforadora.

Figura 7.3. Proteccin de suelos. Figura 7.4. Fosas de lodo.

Figura 7.5. Equipo de apoyo para perforacin. 2. Perforacin de pozos.- El objetivo de la perforacin es hacer un orificio en la roca que intercepte uno o varios acuferos y los conecte con la superficie. La perforacin con el mtodo de rotacin consiste en: a) La trituracin del suelo, sedimento y/o roca por el trpano giratorio (broca) debido al peso del mismo, de las barras de perforacin (tubera metlica, cilndrica y hueca por el centro) y a una carga hidrulica que la maquina perforadora ejerce sobre el trpano a travs de las barra de perforacin. b) La extraccin del detrito (material triturado del fondo del pozo) en suspensin por el lodo de perforacin (Fluido espeso en base a agua y bentonita). El proceso comienza por el llenado de las pozas de decantacin con agua trada en la cisterna, de alguna fuente superficial cercana y la preparacin del lodo de perforacin que es una mezcla de agua y bentonita (arcilla comercialmente disponible). Se coloca el trpano (broca de cierto dimetro) en la primera barra de perforacin (tubera de menor dimetro que la broca) y se inicia la perforacin en si haciendo girar la barra de perforacin, por ende el trpano y haciendo circular el lodo de perforacin. (Fotos).


104

El lodo de perforacin es inyectado a presin por dentro de las barras de perforacin, sujetas a la torre de la perforadora, hasta que sale por ciertos espacios del trpano levantando en suspensin los detritos y circulando (saliendo) a la superficie por el espacio entre las barras de perforacin y las paredes del pozo (debido a la diferencia de dimetro entre el trpano y las barras). Una vez que el lodo llega a la superficie, rebalsa del pozo (orifico hecho por el trpano) y por la zanja excavada fluye hasta la 1ra poza de decantacin donde los detritos se decantan. El rebalse de lodo de la 1ra poza pasa a la segunda poza por un canal excavado que las une y de esta segunda poza el lodo de perforacin, ya sin detrito, es recirculado e inyectado nuevamente al pozo a travs de las barras de perforacin. El lodo adicionalmente lubrica y enfra las herramientas de perforacin. (Fotos y diagramas). En caso que existiese prdida de lodo de perforacin, por infiltracin dentro del pozo, se prepara ms con agua limpia, trada de alguna fuente superficial en la cisterna, y bentonita, en la segunda poza de decantacin. Esto se realiza las veces que sea necesario durante la perforacin del pozo a fin de garantizar el suministro permanente de lodo de perforacin. Conforme el pozo se profundiza, se aumentan barras de perforacin a manera de extensiones (deteniendo la perforacin, enroscando una nueva barra encima de la que se encuentra sumergida en el pozo y reiniciando la perforacin). De esta forma el trpano permanece conectado a la mquina perforadora y puede continuar avanzando el pozo. Durante la perforacin se toma una muestra del detrito que rebalsa del pozo cada metro de avance (cada metro adicional que la barra de perforacin se introduce en el pozo). Estos recortes (muestra de detrito) indican la litologa que existe progresivamente a cada metro por debajo de la superficie hasta alcanzar la profundidad indicada por los estudios geofsicos donde se debera encontrar el acufero. Una vez alcanzada la profundidad deseada, se extraen todas las barras de perforacin y finalmente el trpano. Dejando el pozo lleno del lodo de perforacin para evitar el derrumbe de las paredes (la densidad y peso del lodo ejercen presin sobre las paredes y as evitan derrumbes). El proceso de perforacin de pozos por lo general no toma ms de 2 semanas para un pozo de 60m de profundidad, siempre y cuando la roca no sea muy dura y no existan contratiempo serios (derrumbes de paredes de pozo, problemas mecnicos, etc.).

Figura 7.6. Trpano o tricono. Figura 7.7. Comienzo de perforacin.


105

Figura 7.8. Perforacin de pozos. Figura 7.9. Muestreo de detritos. 3. Diseo.- El pozo perforado deber ser revestido por tubera interior, plstica o metlica, a fin de evitar que las paredes del mismo se derrumben y facilitar la salida a la superficie del agua que proviene de los acuferos. El diseo permite la intercalacin adecuada de tubera slida para evitar derrumbes y filtros (tambin para evitar derrumbes) para permitir el flujo del agua desde el acufero hacia el interior del tubo de revestimiento.

Tabla 7.2: Diametros recomendados de Pozo

El diseo y construccin de un pozo consiste en: a) La identificacin de tramos, en profundidad, con litologa porosa y permeable que sean posibles acuferos. b) El diseo de la distribucin de tubera y filtros dentro del pozo. En base a los recortes (muestras de detrito) colectados se elabora una columna litolgica (secuencia progresiva del tipo de roca en profundidad) e identifican los tramos, en profundidad desde la superficie, donde existe litologa porosa y permeable, es decir posibles acuferos.


106

Esta columna indica que tramos del pozo debern ser entubados con tubo slido y cuales con filtros de agua (tubera con ranuras para permitir el ingreso del agua); es decir permite hacer el diseo en si del pozo conociendo los metros de tubo slido y de filtro. (Los tramos de posibles acuferos correspondern a sectores con filtros). 4. Construccin del pozo.- Consiste en el armado y construccin del pozo tal que no se derrumbe y permita el paso continuo del agua del acufero al tubo interior y de ah su extraccin a la superficie. Este proceso se realiza mientras el pozo aun est inundado con lodo de perforacin. La construccin de un pozo consiste en: a) La preparacin de la secuencia adecuada de tubera y filtros. b) La introduccin de tubera y filtros en el pozo. c) Engravillado del pozo. Una vez que se tiene el diseo del pozo se corta y prepara, segn ste diseo, la secuencia correcta de intercalacin de tubos slidos y filtros. Luego se procede a la introduccin de la tubera y los filtros dentro del pozo empezando con la tubera que corresponde a la parte ms profunda del pozo, luego colando y entornillando (en el caso de tubera plstica/en metlica se suelda.) el segmento que corresponde por encima y sucesivamente hasta tener todo el pozo entubado con la secuencia correcta incluyendo 50 cm a 1m de tubera visible por encima de la superficie. (Fotos ). A la conclusin de la introduccin de todos los tubos slidos y filtros, previstos en el diseo del pozo, se procede a rellenar el espacio vaci (temporalmente ocupado por el lodo de perforacin) entre las paredes del pozo (hueco perforado) y los tubos introducidos con grava (aproximadamente 3m3 para un pozo de 60m de profundidad) obtenida de alguna fuente cercana y trada en camin o el vehculo liviano de apoyo. Durante el proceso de construccin participan el camin perforador, la cisterna y el vehculo de apoyo. (Foto ). Diseo de Filtros de Grava. De las curvas granulomtricas de todos los estratos del acufero, Se determina el estrato formado por la arena ms fina y se escoge la gradacin del filtro con base en el anlisis granulomtrico de este material.

Figura 7.10. Diseno de filtros de grava Terzaghi and Pecks sugieren para el diseo de filtros puede ser expresado como:


107

Donde: Aquifer D15 es el tamano D15 del estrado mas grueso de la formacion y Aquifer D85 es el D85 del estrato mas fino de la formacion. Estos criterios estan ilustrados en Figura 7.10, along with the recommendations on gravel pack design discussed below.

Existe un consenso general que la gradacion del gravel pack debera ser: (1) uniforme (y por tanto tiene un similar coeficiente de uniformidad al acuifero); (2) ms grueso que la gradacion del acuifero por un factor especificado o rango de factores; (3) basedo en el estrado del acuifero ms fino a ser screened.

Figura 7.10. Preparado de tubera de pozo. Figura 7.11. Inicio de entubado.

Figuras 7.12 a, b y c. Proceso de entubado.


108

Figura 7.13. Engravillado. 5. Desarrollo del pozo.- Es el lavado del pozo que se realiza una vez que ste est construido. Consiste en inyectar a presin agua limpia por el tubo interior hasta que salga por los filtros y por el fondo del pozo expulsando por reemplazo el lodo de perforacin dentro del orifico perforado y del mismo tubo interior que rebalsa del pozo. Este lavado que utiliza grandes cantidades de agua limpia (trada de alguna fuente superficial cercana) se realiza durante las horas que sean necesarias hasta que todo el lodo de perforacin haya sido expulsado o diluido y solo rebalse agua limpia y sin partculas de arena en suspensin. Tambin se puede realizar este lavado inyectando aire en vez de agua, donde el aire obliga a subir al lodo de perforacin a la superficie. Durante este proceso participan el camin perforador, la cisterna y el vehculo de apoyo. Debido a la gran cantidad de agua limpia que se utiliza y al volumen del lodo extrado del pozo, siempre ocurre encharcamiento (inundacin local por la cantidad de lodo y agua limpia). El lodo y agua que sale del pozo hasta que el lavado est terminado se deja fluir, generalmente sin control, hasta algn cuerpo de agua cercano. (Fotos).

Figura 7.15. Limpieza de pozo. Figura 7.14. Limpieza de pozo.


109

Figura 7.16. Limpieza de pozo. Figura 7.17. Limpieza de pozo. 6. Pruebas de bombeo.- Ya lavado el pozo se procede a realizar la prueba de bombeo que generalmente consiste en instalar una bomba sumergible y bombear agua en un determinado tiempo a un caudal constante hasta que el descenso del nivel del agua (nivel dinmico) se estabilice. Estas pruebas pueden durar varias horas y hasta das. El agua que sale del pozo por lo general es dejada que fluya libremente hasta algn cuerpo de agua cercano. Durante este proceso participan el camin perforador, la cisterna y el vehculo de apoyo. 7. Construccin del sello sanitario.- Consiste en una plataforma/base de cemento de 1m2 alrededor del tubo interior del pozo que sobresale 0.5 a 1m sobre la superficie. Este sello asegura que la tubera del pozo no vaya a asentarse, entrarse y perderse dentro del pozo y adems facilita la movilizacin de la gente alrededor del pozo una vez que ste est al servicio de la misma. 8. Instalacin de bombas.- Aunque no todas las veces se lo hace inmediatamente despus de la perforacin, se debera instalar una bomba de agua sumergible ya sea esta movida por energa elctrica (electrobomba) o energa elica (bomba elica, muchas veces mal llamada aerobomba). La instalacin de estas bombas se hace colgando la electrobomaba sumergible de un cable junto a un tubo para el agua, a cierta altura predeterminada segn la profundidad del pozo y el nivel dinmico (nivel al que desciende el agua del pozo durante la extraccin por bombeo), tal que pueda succionar agua sin quedar expuesta por encima del nivel dinmico. El pozo, la bomba, el tablero de control de encendido de la bomba y si fuese el caso el generador de energa (en caso que no haya energa de red) quedan dentro de un cuarto de unos 3m de lado, construido especficamente para proteger los equipos de las inclemencias del tiempo. El cuarto deber ser bien ventilado en caso que el generador de energa sea a gasolina o diesel.


110

Figura 7.18. Caseta de Bombeo. 9. Abandono del sitio de perforacin.- Ya finalizadas todas las faenas de perforacin, desarrollo de pozos, pruebas de bombeo y la construccin del sello sanitario; se retira toda la maquinaria, equipo, implementos utilizados desde el inicio de la perforacin y el personal. 10. Construccin de tanques y/o estanques.- Aunque esta actividad no se realiza todas las veces, y peor aun inmediatamente despus de la perforacin, cuando si se la hace consiste en la construccin de un tanque o estanque (piscina con techo) para almacenar el agua extrada del pozo. El estanque puede ser hecho como piscina, es decir debajo de la superficie o como tanque sobre la superficie o construido a 6m de altura sobre la superficie. En cualquiera de los tres casos el procedimiento es aquel de cualquier construccin de obras civiles. 7.2. Consideraciones ambientales sobre la excavacin y perforacin de pozos La excavacin y perforacin de pozos son actividades que demandan poco tiempo y poco espacio, pero lamentablemente son faenas sucias y desordenadas, adems de invasivas del terreno.


111

El impacto que generan estas actividades es de carcter temporal y no significativo si manejados adecuadamente. Los riesgos de contaminacin pueden controlarse en parte, las emisiones de contaminantes prevenirse y mitigarse si fuese el caso necesario. Aire.- La perforacin se hace en hmedo por lo que no hay generacin de polvo. El ruido es inevitable pero corresponde solo al motor de la perforadora. Agua.- En Peru no se realizan los estudios necesarios para garantizar que la extraccin de agua de un pozo no afectar otras zonas que, de forma natural o artificial, tambin aprovechan el agua de acufero en cuestin. El agua proveniente de la perforacin y que se deja fluir a cuerpos de agua no es txica ni de mala calidad. Si bien el lodo tiene una gran cantidad de slidos disueltos, parte de estos se diluyen durante el desarrollo del pozo y las pruebas de bombeo. Suelo.- Si los vehculos y la maquinaria estn bien mantenidos, no hay riesgo de prdida de aceites ni lubricantes. La prdida de suelo por compactacin por el trnsito del camin cisterna y el/los vehculos de apoyo es inevitable. Si bien el lodo tiene una gran cantidad de slidos disueltos, parte de estos deberan diluirse al mximo durante el desarrollo del pozo y las pruebas de bombeo. Existen bentonitas que son biodegradables por lo que el esparcirlas no representa un impacto siempre y cuando estn bien diluidas y no generen una costra que cubra la vegetacin autctona. Flora y fauna.- La experiencia ha demostrado que por el corto tiempo que la perforacin de pozos dura, las especies de fauna no emigran y la vegetacin por lo general se recupera pronto. En algunos casos se dice de la perforacin que es un mal necesario que debe ir en lo posible acompaada de previsiones para evitar al mximo posible contaminacin. A partir de la promulgacin de la Ley General del Ambiente en 2005, Ley de Recursos Hidricos en el 2009, las actividades de perforacin de pozos que perforen mecnicamente ms all del nivel fretico deben contar con una Licencia Ambiental. Sin embargo, debido a la posicin y enfoque de las empresas privadas y ONGs que sostienen que por la corta duracin de la perforacin de un pozo, aproximadamente 2 a 3 semanas, y a consideraciones de tiempo empleado y econmicas por el costo de elaboracin de una Ficha Ambiental, estas no elaboran ni presentan sus fichas ambientales antes ni despus de ejecutar la perforacin y construccin de pozos de agua. 7.3. Rgimen natural del agua subterrnea El agua subterrnea bajo condiciones naturales tiene cierto comportamiento caracterstico (rgimen) que depende del lugar geogrfico en cuestin y de las condiciones hidrometeorolgicas propias de dicho lugar. Por lo general existe un equilibrio en el balance hidrolgico e hidrogeolgico, donde las caractersticas del comportamiento (rgimen) del agua subterrnea son el reflejo de las condiciones de dicho balance, por ejemplo: el nivel fretico/piezomtrico, el espesor de la zona saturada, la relacin abundancia de vegetacin disponibilidad de agua subterrnea, tamao de los cuerpos de agua en poca de estiaje, nmero de manantiales, etc.


112

Los mapas piezomtricos son una buena expresin de las condiciones naturales del rgimen de un acufero fretico, donde las curvas piezomtricas guardan muy buena relacin con la topografa y el drenaje, y las gradientes hidrulicas con la geologa. 7.4. Rgimen del agua subterrnea bajo influencia de pozos. Cuando un acufero que originalmente estaba en condiciones naturales es afectado por la perforacin de uno o varios pozos y la extraccin de agua subterrnea, su rgimen cambiar en mayor o menor magnitud en funcin a la cantidad de agua que se extraiga de un determinado pozo o del conjunto de pozos. En forma general se entiende y acepta que extraer agua de un pozo en un acufero no genera un impacto negativo en dicho acufero por la relacin de volmenes de agua que se extraera por el pozo y aquel contenido en el acufero. Sin embargo ese pozo de manera local si tendr un efecto en el rgimen del acufero, el cambio de rgimen se da al descender el nivel del agua alrededor del pozo, el flujo natural cambiar de velocidad y de direccin. Mediante clculos matemticos se puede obtener valores piezomtricos y generar un mapa piezomtrico que demuestra este cambio local y su relacin directa con la cantidad de agua que se extraiga del pozo. El siguiente ejemplo, ilustra la influencia ambiental de la extraccin de agua: Si bien el agua que se extrae de un pozo no afectar al volumen de agua el acufero, puede ser que ese pozo est ubicado gradiente arriba de un manantial, por lo que al extraerse el agua el nivel fretico descendera y el manantial se secara causando la desaparicin de la vegetacin dependiente del agua de dicho manantial.

Figura 7.18. Rgimen hidrogeolgico en condiciones naturales.


113

Figura 7.19. Rgimen hidrogeolgico en condiciones de bombeo. 7.4.1. Flujo radial y convergente Al extraerse agua de un pozo se genera un campo de influencia radial por lo que el flujo del agua subterrnea hacia ese pozo ser de forma radial y convergente en el mismo pozo. Es decir, que sin importar la direccin natural del agua subterrnea, esta cambiar y converger en el pozo y lo har de manera radial. Mientras ms agua se extraiga del pozo el radio de influencia de modificacin del flujo natural ser mayor y el descenso del nivel piezomtrico por la extraccin del pozo ser gradual formando lo que se llama el cono de depresin. A mayor extraccin, mayor dimetro de influencia y mayor el descenso del nivel dinmico, es decir mayor el cono de depresin.

Figura 7.20. Flujo radial y convergente. 7.4.2. Descenso y recuperacin del nivel del agua La extraccin de agua subterrnea por medio de pozos causa que el nivel del agua descienda formando un cono de depresin y el nivel al que el agua desciende se denomina nivel dinmico. Una vez que la extraccin se detiene, el nivel del agua (nivel dinmico) tender a retornar al nivel original


114

denominado nivel esttico. El tiempo que el agua tarde en recuperar su estado original, es decir su nivel piezomtrico y direccin de flujo es variable y depende de las propiedades hidrulicas del acufero y de la cantidad de agua en el acufero (recarga). 7.5. Sobreexplotacin Si bien la extraccin de agua de un solo pozo, tericamente, no afecta el volumen total del acufero, la presencia de varios pozos desde los cuales se extrae agua de un mismo acufero si puede representar una amenaza de consideracin a la sostenibilidad de dicho acufero. El proceso de la extraccin indiscriminada de agua de un acufero por medio de varios pozos, se denomina sobreexplotacin. La ausencia de un registro de pozos de agua y la inexistencia de estudios de recarga de acuferos fomentan la sobreexplotacin.

Figura 7.21. Efectos de sobreexplotacin. 7.5.1. Dao del acufero La sobreexplotacin de un acufero puede daar permanentemente las propiedades hidrulicas de dicho acufero por causa de la succin de agua que deja vacos los poros, permitiendo el colapso (hundimiento por falta de presin hidrosttica) de los poros y la consecuente reduccin de la permeabilidad. O por la oxidacin y sellado de los poros por ptinas de xidos de hierro. 7.5.2. Subsidencias de terreno Cuando el colapso de poros (por insuficiente presin hidrosttica que mantiene los poros abiertos) ocurre en reas de mayor tamao (escalas locales y regionales) el terreno por encima del acufero se puede hundir como consecuencia en cadena del colapso de los poros del acufero. Existen varios ejemplos de subsidencias (hundimientos) ocurridas por la sobreexplotacin de agua subterrnea, entre los ms conocidos se tiene la famosa Torre de Pisa en Italia y sectores de la ciudad de Mexico D.F. que se hundieron hasta tres metros.

Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez

precipitaciones puno

Documents

agua subterrnea

agua superficial

flujo flujo transiente

red de flujo flujo regional

compresibilidad flujo

aguas subterraneas permanente

lagos metodos numericos

mejor calidad bacteriolgica