Captaciones subterraneas - Diseño de pozos

CAPTACIONES SUBTERRANEAS DISEÑO DE POZOS

CAPTACIONES DE AGUAS SUBTERRANEAS EL CICLO HIDROLÓGICO

AGUAS SUBTERRANEAS Las aguas subterráneas son una importante fuente de abastecimiento de agua potable y prometen serlo aún más en el futuro, puesto que con el progresivo agotamiento de las aguas superficiales y el desarrollo de nuevas técnicas de perforación, estas irán cubriendo, en un porcentaje cada vez mayor, las necesidades humanas. El origen de las aguas subterráneas es la infiltración en el terreno de las aguas de lluvia, deshielo y corrientes superficiales. Históricamente se han barajado teorías con grandes concomitancias míticas para explicar el origen de las aguas subterráneas, ya que se suponía que las cantidades precipitadas eran insuficientes para abastecer los grandes caudales de las aguas subterráneas. Sin embargo, hoy día se acepta sin reservas la teoría de que las aguas subterráneas proceden de la infiltración (producida por la fuerza de la gravedad y las fuerzas de atracción molecular) de las precipitaciones atmosféricas en cualquiera de sus modalidades. Así el suelo terrestre puede considerarse dividido en dos grandes partes: •

La zona de aireación en la cual las cavidades del terreno contienen agua, pero en menor cantidad de su capacidad potencial. A su vez se subdivide en el manto vegetal o zona superficial que está bajo la influencia directa de las plantas y sus raíces y la zona restante, o manto capilar, también bajo una influencia de las plantas aunque menos directa. En estas zonas predominan las fuerzas de atracción molecular sobre las fuerzas de la gravedad.

•

La zona de saturación o zona en la cual el agua se encuentra en cantidad muy cercana a la capacidad potencial del terreno y donde las fuerzas predominantes son de gravedad, esta agua es la llamada subterránea.

La separación entre ambas zonas se llama superficie de saturación o nivel freático. Así pues, una partícula de agua, para llegar a ser subterránea debe atravesar la zona de aireación, lo cual requiere que la cantidad de agua sea lo suficientemente grande como para que predominen las fuerzas de gravedad sobre las fuerzas de atracción molecular. Así, si el fenómeno generador es atmosférico este deberá tener una intensidad y una duración suficiente para que el agua no se pierda en su totalidad en escorrentía superficial y evapotranspiración. Si la zona de aireación esta seca y el agua de lluvia cae con poca intensidad, esta agua se alojará primero en el manto vegetal y luego en el capilar; Si al llegar a la zona de saturación cesa la lluvia, esta agua quedará para uso de las plantas y no se habrá generado nueva agua subterránea. La infiltración de las corrientes superficiales (ríos, lagos, etc.) se produce tan sólo en casos concretos, en cuyo caso a esta corriente se le llama influente. Por el contrario, sí, como es el caso más frecuente, la corriente superficial recibe aportación de las aguas subterráneas se la denomina efluente. Las aguas subterráneas se originan por la percolación de las aguas superficiales a través de estratos permeables, llamados acuíferos. Estos acuíferos pueden ser libres, cuando la presión del agua contenida en el, está a la presión atmosférica. Y confinados, cuando el agua está contenida entre dos estratos impermeables y está sometida a una presión mayor que la atmosférica.

TIPOS DE ACUIFEROS

Los terrenos se clasifican frente a las aguas subterráneas por sus características, por ejemplo: • • •

•

Acuífero se le llama a aquella formación geológica que contiene agua y es capaz de trasmitirla, como, por ejemplo: un aluvión fluvial, gravas y arenas. Son en general adecuados para situar una captación de agua en ellos. Acluido, por el contrario se define como aquella formación geológica que conteniendo agua en su interior, incluso hasta la saturación, no la trasmite y por tanto no es posible su explotación, como por ejemplo las arcillas. Acuitardo se llama aquella formación geológica que conteniendo apreciables cantidades de agua las trasmiten muy lentamente, como por ejemplo unas arcillas limosas o arenosas. Estas formaciones son inadecuadas para situar captaciones en ellas, pero pueden jugar un papel muy importante en la recarga vertical de otros acuíferos. Acuífugo es llamada aquella formación geológica que ni contienen agua ni la pueden trasmitir, como, por ejemplo, un macizo granítico no alterado.

Los acuíferos que se presentan con mayor frecuencia están formados por depósitos no consolidados de materiales sueltos, tales corno arenas, gravas, mezclas de ambos, etc. Debido, en general, a sus buenas condiciones de recarga y poca profundidad de su nivel piezométrico, suelen dar buenos caudales de agua si se los explota convenientemente. De entre las rocas sedimentarias consolidadas (que encierran el 95% de las aguas subterráneas del planeta), la más importante es la caliza, estas rocas son de por si poco permeables pero su disolución por el agua provoca el desarrollo de zonas permeables, fenómeno conocido con el nombre de karstificación. Las aguas en su movimiento van

agrandando las grietas, diaclasas y fisuras, formando una auténtica red de canales y ríos subterráneos gracias a la solubilidad de la caliza y a la acción del CO2 agresivo a las aguas. Las areniscas cementadas son bastante impermeables debido al ligante que une los materiales granulares y son, por tanto malos acuíferos; sin embargo, si la cementación es parcial o ha desaparecido en parte, pueden ser objeto de explotación como acuíferos. Las margas y arcillas, en cambio, deben considerarse corno acluidos y por tanto inexplotables. Las rocas volcánicas presentan una gran variedad de posibilidades, dependientes de sus características físicas y químicas, de las propias rocas y de la erupción que las originó, edad, etc. Si son escoriaceas, con grandes intersticios, pueden constituir excelentes acuíferos, por el contrario, si son densas y compactas como algunas riolitas y basaltos, tendrá unas características hidrológicas muy pobres. Finalmente en las rocas ígneas y metamórficas (granitos, dioritas, gabros, pizarras y esquistos) las únicas posibilidades de dar buenos acuíferos residen en la zona alterada superficial o en las regiones muy fracturadas por fallas y diaclasas, de todos modos constituyen los peores acuíferos, en cuanto a rendimiento de caudal. Los acuíferos pueden clasificarse atendiendo a varias de sus características. Las clasificaciones principales que pueden establecerse son: atendiendo al estado energético del agua o por la variación de la calidad de sus aguas. De los primeros los: • •

•

Acuíferos libres no confinados o freáticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre del agua que contienen, que está en contacto con el aire y por tanto a presión atmosférica. Acuíferos cautivos confinados o a presión son aquellos en los que la superficie superior del agua se encuentra sometida a una presión superior a la atmosférica, por ello durante la perforación de pozos en acuíferos de este tipo, al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso rápido del nivel del agua hasta establecerse en una determinada posición o nivel piezométrico. Si el nivel piezométrico se sitúa por encima de la boca del pozo, a esto último se le denomina surgente. Acuíferos semicautivos o semiconfinados, son aquellos en los que la pared superior o inferior no es totalmente impermeable, sino que se trata de un acuitardo, es decir un material que permite la filtración del agua, pero de forma muy lenta, lo que sirve de alimentación al acuífero principal. En realidad, se trata de un caso particular del tipo anterior.

Tipos de acuíferos.

CARACTERISTICAS DE LOS ACUIFEROS La propiedad de los acuíferos de contener agua, está afectada por los siguientes factores: POROSIDAD Es el conjunto de aberturas o intersticios que contienen las formas geológicas. Es una medida del contenido de vacíos, con relación al volumen total. P=

VV x 100 VT

La porosidad varía de 0 al 50%, dependiendo del grado de compactación del material, forma y arreglo de las partículas y estratificación granulométrica.

PERMEABILIDAD La porosidad por si sola no define la existencia de un acuífero, es necesario que los poros del estrato estén interconectados entre si para que permitan el flujo del agua. Se define como el volumen de agua que pasa en la unidad de tiempo a través de una sección de acuífero de área unitaria, cuando el gradiente hidráulico es unitario y la temperatura del agua es de 15ºC. Depende de la forma y tamaño de las partículas, granulometría y viscosidad del fluido. Se mide en m3/m2.día.

TRANSMISIBILIDAD Es una medida de capacidad de un acuífero para conducir agua y se define como el volumen de agua que pasa en la unidad de tiempo, a través de una franja vertical de acuífero de ancho unitario extendida en todo el espesor saturado, cuando el gradiente hidráulico es unitario y la temperatura del agua está a 15ºC. RETENCION ESPECÍFICA Se define como el volumen de agua que queda adherido al acuífero y que por medios físicos no será posible recuperar, con relación al volumen total del material poroso

Rs =

VR × 100 VT

PRODUCCION ESPECÍFICA

Se define como el volumen de agua que puede ser drenado del acuífero, con relación al volumen total del material poroso

PS =

VD × 100 VT

De lo anterior se deduce, que la porosidad es igual a la suma de la producción mas la retención específica P = PS + RS

COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO

Es el volumen de agua drenado por área unitaria, cuando la presión unitaria desciende una unidad. Los valores característicos para acuíferos libres 0.02 ≤ S ≤ 0.20 y para los confinados 0.005 ≤ S ≤ 0.00005 m3 de agua por cada m3 de acuífero.

HIDRAULICA DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS METODO DE EQUILIBRIO Al extraer el agua de un acuífero por medio de un pozo, el agua se acerca desde todas las direcciones en forma radial, convergiendo hacia el pozo y el área de penetración, va disminuyendo constantemente, formando un cono de depresión. De acuerdo con la Ley de Darcy, la velocidad del flujo en un medio poroso está dada por: v=K

dy dx

La relación entre el abatimiento y la producción específica del pozo se obtiene por: dy Q = KA dx

PARA ACUÍFEROS LIBRES: Q = 2πxy

dy dx

dx = 2πK ∫ ydy x Kπ h12 − h02 Q= Ln r1   r0  QLn r1   r0  K= 2 π h1 − h02 Q∫

(

(

)

)

PARA ACUÍFEROS CONFINADOS: Q = 2πmy

dy dx

dx = 2πKm ∫ dy x 2 Kmπ (h1 − h0 ) Q= Ln r1   r0  QLn r1   r0  K= 2πm h12 − h02

Q∫

(

)

DISEÑO DE POZOS Una vez conocidas las características de los acuíferos y las propiedades para su aprovechamiento, es posible determinar los diámetros y las áreas de captación de los pozos. DEFINICIONES Nivel estático: Es la distancia entre la superficie del terreno y el nivel de agua en el pozo no afectado por el bombeo. Nivel de bombeo: Es la distancia entre la superficie y el nivel de agua en el pozo cuando se extrae el gasto requerido. Abatimiento: Es la diferencia entre el nivel estático y el nivel de bombeo. Capacidad específica: Es el gasto extraído relacionado con el abatimiento. Está dado en m3/m.s.

PERÍODO DE DISEÑO PARA LA CAPTACIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA Nivel de complejidad del Sistema Bajo Medio Medio Alto Alto

Periodo de diseño 15 años 15 años 20 años 25 años

NÚMERO MÍNIMO DE POZOS PROFUNDOS 1. Para el nivel bajo de complejidad se permite la construcción de un único pozo. 2. Para los niveles medio y medio alto de complejidad debe contarse con un mínimo de dos pozos más un pozo de redundancia. El número de pozos debe tener una capacidad sumada igual al caudal de diseño. El pozo de redundancia debe tener una capacidad igual a la de los demás. 3. Para el nivel alto de complejidad, debe tenerse un mínimo de dos pozos de operación normal con una capacidad sumada igual al caudal de diseño más las pérdidas en la aducción y las necesidades en la planta de tratamiento. Debe colocarse un pozo de reserva por cada 5 pozos de operación normal, con igual capacidad.

DIAMETRO DEL POZO Relativamente el diámetro del pozo, tiene muy poca influencia en la extracción de un mayor caudal. Esto se deduce de la relación de equilibrio en la que Q es proporcional al inverso del logaritmo de los radios. Para esta selección se recomiendan los siguientes valores PROFUNDIDAD En la mayoría de los casos la perforación se hace hasta abarcar la profundidad total del acuífero. Sin embargo, algunas veces el agua de los estratos inferiores es de mala calidad, por lo cual en estos casos es conveniente sellar esta zona con un material impermeable, adecuadamente compactado. TIPOS DE POZOS Dependiendo del tipo de acuífero, estos serán libres o confinados.

LONGITUD DE LA ZONA DE CAPTACION Para los acuíferos confinados, se recomienda de un 70 a 80% del espesor del acuífero, con lo que se logra captar el 90 al 95% de la producción total. No conviene utilizar un acuífero libre de tal forma que el abatimiento sea mayor que 2/3 a ½ de su espesor, por lo tanto, la longitud de captación estará entre 1/3 a ½ del espesor del acuífero.

AREA LIBRE DE CAPTACION Con las limitaciones antes señaladas, el área de captación deberá se ajustada a la longitud de captación, el diámetro de la rejilla y la abertura de la misma. Las aberturas de la rejilla dependerán exclusivamente de la granulometría del acuífero, tratando de que su diámetro sea mayor que el equivalente al tamaño del grano que retenga el 40% del material del acuífero. Siempre y cuando el diámetro equivalente al 40% del retenido sea mayor que 0.025 cms, el pozo no necesitará de empacadura de grava. Para seleccionar el área de captación, se recomiendan velocidades de penetración de 3 cm/s.

DISEÑO DE REVESTIMIENTO DE GRAVA La colocación del revestimiento de grava, depende del tamaño de los granos del material que compone el acuífero. El diseño de la misma guarda relación entre el tamaño de la grava y la abertura de la rejilla, de forma que retenga el paso de arena. El método de la Universidad de Minnesota se fundamenta en el análisis granulométrico del material de la formación acuífera. La curva granulométrica del material a utilizar como revestimiento de grava, se traza a partir de las siguientes consideraciones: • • • •

El tamaño de la empacadura de grava correspondiente al 70% del retenido, se selecciona equivalente a 4 a 6 veces el tamaño del 70% del retenido del material de la formación acuífera. El coeficiente de uniformidad se selecciona menor a 2.5. El tamaño efectivo de la grava (90% del retenido) corresponderá entre 9 y 12 veces el de la arena. Se calcula el 40% del retenido, a partir del tamaño efectivo y el coeficiente de uniformidad.

Se traza la curva de la grava a partir de los tres puntos definidos y se selecciona un rango de variación entre un 8 a 10% por debajo y por arriba de la curva definida en el punto anterior EMPAQUE DE GRAVA En un pozo profundo, cuando la zona de captación esté ubicada en una formación de arena fina, es necesaria la colocación de un empaque de grava ubicado entre la rejilla y el suelo. Las especificaciones del empaque de grava deben cumplir con la norma AWWA A100 Si el tamaño correspondiente al 40% del material retenido en la formación acuífera es superior a 25 mm, no será necesario el empaque de grava. ESPESOR Y LOCALIZACIÓN DEL EMPAQUE DE GRAVA El espesor del empaque debe estar entre 75 mm y 300 mm (3 y 12 pulgadas). El empaque debe localizarse en el espacio anular adyacente a la rejilla y debe extenderse una longitud mínima de 6 metros por encima de ella, a excepción de acuíferos muy superficiales (someros). GRANULOMETRÍA DEL EMPAQUE DE GRAVA El tamaño del empaque de grava debe definirse dependiendo de el diámetro de la rejilla y de la granulometría natural del acuífero teniendo en cuenta las siguientes disposiciones:

1. La rejilla debe retener el material del empaque y éste a su vez, debe retener el material de la formación. 2. Cuando el acuífero tenga una granulometría uniforme, el tamaño correspondiente al 50% de material que pasa en la curva granulométrica, D50, del empaque debe ser cuatro veces el tamaño D50 del material de la formación acuífera. 3. Si la granulometría del acuífero es no uniforme, el tamaño D50 del empaque debe ser seis veces el tamaño D50 de la formación acuífera. 4. El coeficiente de uniformidad del empaque debe estar entre 1.7 y 2.5. La granulometría debe establecerse según la norma NTC 1522. (ASTM C136) CALIDAD DEL MATERIAL 1. El material del empaque debe ser estable, tanto física como químicamente al agua. Se recomienda que el 60% del material sea redondeado y equiaxial. 2. La gravedad específica del material debe ser mayor que 2.5. 3. El material no debe contener hierro o manganeso en ninguna forma y no debe afectar la calidad del agua del pozo. DIÁMETRO DE REJILLAS El diámetro de las rejillas debe ser adoptado para tener un área hueca de captación en la rejilla suficientemente grande para poder bombear el caudal de extracción esperado en el pozo, obteniendo una velocidad óptima según la permeabilidad del medio. En todo caso, el diseñador debe conocer el área libre en función del diámetro y la apertura de la rejilla. Además, deben tenerse en cuenta las siguientes restricciones: 1. El diámetro de la rejilla no podrá ser superior al diámetro de la camisa del pozo. 2. En caso de niveles de bombeo bajos, el diámetro de la rejilla debe estar fijado por el diámetro de la tubería de succión de la bomba. El diámetro mínimo será de 150 mm. En casos especiales, puede adoptarse un diámetro menor a 150 mm, siempre y cuando el diseñador presente el estudio técnico y las memorias de cálculo que justifiquen una reducción en el diámetro. En ningún caso, el diámetro del pozo puede ser menor al diámetro del equipo de bombeo. En pozos profundos con un nivel dinámico ubicado a una distancia no mayor a 10 metros por debajo de la superficie del terreno, el diámetro de la tubería de revestimiento puede reducirse desde la superficie del terreno hasta el límite que permita el diámetro de la bomba. Por debajo de la máxima profundidad en la que se desee colocar la bomba, la reducción del diámetro puede ser mayor.

LONGITUD Y UBICACIÓN DE REJILLAS La longitud de la rejilla debe ser suficiente para bombear el caudal de extracción esperado en el pozo, buscando siempre el menor abatimiento. Sin embargo, la longitud mínima de la rejilla está dada por la ecuación Lr min =

0.0054Qd Ac Vc

Para determinar la longitud de la rejilla deben tenerse en cuenta las siguientes disposiciones: 1. En el caso de un acuífero libre homogéneo, la longitud de la rejilla debe estar entre 1/3 y 1/2 del espesor del acuífero, y ésta debe instalarse en la parte inferior del acuífero. 2. En el caso de un acuífero libre no homogéneo, la longitud de la rejilla debe ser igual a la longitud del estrato más permeable, estrato en el cual debe colocarse la rejilla. La ubicación de la rejilla debe ser simétrica en el estrato en el que se coloque. 3. En el caso de un acuífero confinado homogéneo, la longitud de la rejilla debe estar entre el 70% y el 80% del espesor del acuífero. La ubicación de la rejilla debe ser simétrica en el estrato en el que se coloque. 4. En el caso de un acuífero confinado no homogéneo, la rejilla debe colocarse en el estrato más permeable, aprovechando la totalidad del estrato. La ubicación de la rejilla debe ser simétrica en el estrato en el que se coloque. 5. No debe colocarse rejilla por encima del nivel dinámico de bombeo.

MATERIAL DE LAS REJILLAS El material de las rejillas debe ser de tal calidad que resista la presencia de películas bacterianas, la corrosión por las sales y los minerales del agua y los correspondientes esfuerzos mecánicos en la zona de captación. Además, debe resistir a las sustancias químicas y elementos mecánicos utilizados en la limpieza y mantenimiento posteriores.

SELECCION DEL MATERIAL Y TIPO DE REJILLA La obra de captación de un acuífero lo constituye la rejilla. Las condiciones agresivas del agua y del suelo, son los que determinan el material del cual deberá fabricarse la rejilla. Los factores que determinan esta selección son : • • • •

La condición agresiva o incrustante del agua La presencia de bacterias agresivas Los esfuerzos a que estará sometida la rejilla, debido a la presión del suelo El tamaño y dureza de las partículas del suelo

MATERIAL DE LAS REJILLAS

Material Monel Níquel Everdur

Acero inoxidable

Latón

Hierro galvanizado Acero

Aleación 70% Níquel 30% Cobre 70% Cobre 30% Níquel 96% Cobre 3% Silicón 1% Manganeso 74% Acero 18% Cobre 8% Níquel 83% Cobre 15% Zinc 1% Silicón 94% Hierro Doble galvanizado 99.4% Hierro 0.2% Carbón 0.4% Manganeso

Uso Aguas con altos contenidos de sales y oxigeno disuelto. Igual que el anterior. Aguas duras, sales, hierro disuelto. Sulfuro de hidrogeno, oxigeno disuelto, CO2, bacterias ferruginosas. Aguas duras, sales, hierro disuelto. Aguas no agresivas ni incrustantes. Igual que el anterior

TAMAÑO DE LA REJILLA El U.S. Bureau of Reclamation, considera que la mejor abertura de la rejilla es la mayor que permita la estabilización de la grava. De acuerdo con esto, recomienda escoger la abertura igual a la mitad de la malla correspondiente al 15% del retenido y seleccionar la malla comercial inferior. Cuando exista una capa de material fino sobre otro mas grueso en acuíferos no homogéneos, debe prolongarse no menos de 60 cm la longitud de la rejilla correspondiente al material mas fino, penetrando en el estrato mas grueso. En el caso de capas finas colocadas sobre capas más gruesas, el cambio debe hacerse de tal manera que la abertura mayor no sea mas del doble de la menor e incluir una transición no menor de 30 cm.

APERTURA DE REJILLAS La apertura de las rejillas debe determinarse según la granulometría del acuífero, teniendo en cuenta las siguientes especificaciones: 1. En el caso de un acuífero homogéneo que no requiera empaque de grava y con un coeficiente de uniformidad mayor que 6, la apertura debe ser de tal tamaño que retenga entre el 30% y el 40% de la formación acuífera. 2. En el caso de un acuífero homogéneo que no requiera empaque de grava y con un coeficiente de uniformidad menor que 6, la apertura debe ser de tal tamaño que retenga entre el 40% y el 50% de la formación acuífera. 3. En el caso de un acuífero no homogéneo, la apertura de la rejilla debe variarse según la granulometría a lo largo del acuífero. Si una capa de material fino aparece sobre un material grueso, se recomienda prolongar 0.6 m en profundidad la rejilla del estrato fino, penetrando en el estrato más grueso. 4. En los demás casos debe colocarse una apertura de rejillas igual a la mitad del tamaño correspondiente al 15% del material que pasa en la curva granulométrica, D15, de la formación acuífera.

VELOCIDAD EN REJILLAS La velocidad en las rejillas debe estar entre .03 m/s y 0.45 m/s. En caso de tener una velocidad inferior por debajo de la mínima establecida, es recomendable disminuir el diámetro de la rejilla.

PROFUNDIDAD DEL POZO El pozo debe tener una profundidad suficiente para que el filtro penetre en la zona saturada, cumpliendo con las siguientes especificaciones: 1. En acuíferos libres debe tenerse en cuenta el abatimiento del pozo durante el bombeo y la totalidad de la zona de captación debe estar por debajo del nivel dinámico calculado para la operación con el caudal máximo posible. 2. En acuíferos confinados la zona de captación debe cubrir un 80% del espesor del acuífero, sin embargo, en acuíferos costeros donde se puede presentar problemas de intrusión de la cuña marina, la profundidad del pozo puede ser inferior a 80%.

DISTANCIA ENTRE POZOS La distancia entre pozos debe fijarse de tal manera que el rendimiento de toda la captación sea suficiente para cumplir con el caudal de diseño. Para determinar la distancia mínima deben tenerse en cuenta los siguientes puntos: 1. Debe calcularse el radio de influencia de un pozo y debe hacerse un análisis de interferencia entre todos los pozos del acuífero. 2. El abatimiento en un punto se tomará como la suma de las depresiones producidas en el mismo sitio por el bombeo individual de cada uno de los pozos. 3. En los niveles bajo y medio de complejidad la distancia mínima entre dos pozos será de 100 metros. 4. En los niveles medio alto y alto de complejidad la distancia entre pozos debe establecerse por medio de un análisis económico en la operación del sistema, teniendo en cuenta el efecto del los posibles abatimientos, en los costos de extracción del agua.