DEPARTAMENTO INGENIERIA DE RECURSOS HIDRICOS
ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO “CAPTACIONES DE AGUA SUBTERRANEA: MANANTIALES – POZOS”
Ingº GASPAR V. MÉNDEZ CRUZ CAJAMARCA
ENERO - 2006
ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
“ EL AGUA ES EL CONDUCTOR DE LA
VIDA ”
ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
“ DONDE EL AGUA VA, LAS ENFERMEDADES
SIGUEN SUS PASOS ”
DISPONIBILIDAD DE AGUA Nuestro planeta contiene un estimado de 1,450 millones de kilómetros cúbicos de agua. Sin embargo, cerca del 95 % de este prodigioso abastecimiento lo constituye el agua salada de los mares y océanos que cubren las dos terceras partes de la superficie terrestre. Del 5% restante, que corresponde a agua dulce, el 1% se halla congelado en los casquetes polares o en los vastos glaciares. El remanente de ese recurso, que alcanza aproximadamente a 14.45 millones de kilómetros cúbicos y que teóricamente se encuentra disponible para uso humano, se distribuye más o menos en la siguiente forma: Agua subterránea 98.55% Lagos 1.0 Suelo (entre partículas) 0.2 Ríos y arroyos 0.1 Vapor atmosférico 0.1 Biológicamente ( plantas tejido animal) 0.05
COMPATIBILIZACIÓN COMPATIBILIZACIÓ N OFERTA-DEMANDA Todo proyecto de abastecimiento de agua potable, para lograr su sostenibilidad debe equilibrar o campatibilizar sus principales componentes, es decir compatibilizar la oferta y la demanda. OFERTA : (ciclo hidrológico)
-
La precipitación. El agua superficial: Lagos y lagunas, ríos, arroyos, embalses y cuencas. El agua subterránea: Manantiales (de ladera, ascendentes ), pozos. pozos .
FUENTES DE AGUA Las principales fuentes de abastecimiento de agua son el agua de superficie y el agua subterráneas. En el pasado, las fuentes de superficie incluían sólo el agua dulce natural, como lagos, ríos y arroyos, pero con la expansión demográfica y el uso aumentado de agua por persona en relación con estándares de vida más altos, se deben tener también en cuenta la desalinización y el aprovechamiento de aguas residuales. TIPOS De acuerdo a la forma de abastecimiento se consideran tres tipos de fuente: aguas de lluvia, aguas superficiales y aguas subterráneas.
Continuación……
AGUA DE LLUVIA Es el agua meteórica que se tiene debido a la precipitación. Para su aprovechamiento, se utilizan los techos de las casas o algunas superficies impermeables para captar agua y conducirla a sistemas cuya capacidad depende del gasto requerido y del régimen pluvial. AGUAS SUPERFICIALES Constituidas por arroyos, ríos, lagos, etc., que discurren naturalmente en la superficie terrestre. Estas fuentes no son tan deseables, especialmente si existen zonas habitadas o de pastoreo animal aguas arriba, Sin embargo a veces no existe otra fuente alternativa en la comunidad, siendo necesaria su utilización, para ello se debe contar con la información detallada y completa, que permita visualizar su estado sanitario, caudales disponibles y calidad de agua. AGUAS SUBTERRANEAS Constituyen parte del ciclo hidrológico y son las que se infiltran en el terreno, y que por percolación se mantienen en movimiento a través de estratos geológicos capaces de contenerlas y permiten su circulación, su explotación dependerá de las características hidrológicas y formación geológica del acuífero
SELECCIÓN DE FUENTES En la selección de la fuente de abastecimiento, los factores a tomar en cuenta son: Cantidad, calidad, seguridad, costo, legalidad y otros. Estos criterios no se citan en ningún orden especial porque, en gran parte, son interdependientes. No obstante, el costo es quizá el más importante, porque se podría usar casi cualquier fuente, si los usuarios estuvieran dispuestos a pagar un precio lo bastante alto. En algunas zonas, conforme la demanda creciente excede de la capacidad de las fuentes existentes, el costo cada vez mayor de cada nuevo suministro, enfoca la atención hacia el aprovechamiento de las aguas de desecho y la desalinización El aprovechamiento de las aguas subterráneas se realiza a través de manantiales, galerías filtrantes y pozos (excavados o tubulares).
MANANTIALES Se puede definir un manantial como un lugar donde se produce un afloramiento natural de agua subterránea. El agua del manantial fluye por lo general a través de una formación de estratos gravo-arenosos (acuífero) o roca fisurada. En los lugares donde existen estratos impermeables, estos bloquean el flujo subterráneo del agua y permiten que aflore a la superficie. El agua de manantial es casi pura y, por lo general se la puede usar sin tratamiento, a condición de que el manantial este adecuadamente protegido, con una estructura que impida la contaminación del agua. Se debe asegurar que el agua provenga realmente de un acuífero y que no se trate de un arroyo que se ha sumergido a corta distancia.
MANANTIAL
MANANTIAL ASCENDENTE
MANANTIAL ASCENDENTE
CAPTACIÓN Estructura que inicia todo sistema de abastecimiento de agua potable. Para una comunidad rural, es general que dicha captación sea de un manantial. El caudal de diseño para esta estructura, es el caudal máximo diario, para lo cual se debe verificar que la oferta otorgada por dicha fuente, en estiaje, sea mayor a la demanda de la comunidad a servir.
CAMARA DE CAPTACION Elegida la fuente de agua e identificada como el primer punto del sistema de agua potable, en el lugar del afloramiento se construye una estructura de captación que permitirá recolectar el agua, para que luego pueda ser conducida mediante las tuberías de conducción hacia el reservorio de almacenamiento. El diseño hidráulico y dimensionamiento de la captación dependerá de la topografía de la zona, de la textura del suelo y de la clase de manantial; buscando no alterar la calidad y la temperatura del agua, ni modificar la corriente y el caudal natural del manantial, ya que cualquier obstrucción puede tener consecuencias fatales: el agua crea otro cauce y el manantial desaparece. Es importante que se incorporen características de diseño que permitan desarrollar una estructura de captación que considere un control adecuado de aguas, oportunidad de sedimentación, estabilidad estructural, prevención y operación.
CAPTACION MANANTIAL DE LADERA Cuando la fuente de agua es un manantial de ladera y concentrado, la captación constará de tres partes: la primera, corresponde a la protección del afloramiento; la segunda: a una cámara húmeda que sirve para regular el gasto a utilizare; y la tercera, a una cámara seca que sirve para proteger la válvula de control. El comportamiento de protección de la fuente consta de una losa de concreto que cubre toda la extensión o área adyacente al afloramiento de modo que no exista contacto con el ambiente exterior, quedando así sellado para evitar la contaminación.
CAPTACION MANANTIAL DE FONDO Si se considera como fuente de agua un manantial de fondo y concentrado, la estructura de captación podrá reducirse a una cámara sin fondo que rodee el punto donde el agua brota. Consta de dos partes: la primera, la cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizare, y la segunda, una cámara seca que sirve para proteger las válvulas de control de salida y desagüe. La cámara húmeda estará provista de una canastilla de salida y tuberías de rebose y limpia.
Captación:
•
•
•
Niveles C. Rebose Tapa inspección Relleno C° pobre –
2
3
6 1
SALIDA 5
REBOSE Y LIM PIEZA
4
2 7
Dado móvil:
En Captación, Reservorios, CRP, Válvulas de Purga
Captación con caja válvula
Captación sin caja válvula
AGUAS SUBTERRÁNEAS Antiguamente se creía que las aguas subterráneas procedían del mar y habían perdido su salinidad al filtrarse entre las rocas. Hoy se sabe que es agua procedente de la lluvia. Las aguas subterráneas forman grandes depósitos que en muchos lugares constituyen la única fuente de agua potable disponible. A veces, cuando circulan bajo tierra, forman grandes sistemas de cuevas y galerías. En algunos lugares regresan a la superficie, brotando de la tierra en forma de fuentes o manantiales. Otras, hay que ir a recogerlas a distintas profundidades excavando pozos. El agua subterránea es mas que una simple solución del problema de abastecimiento de agua , es un elemento vital en el balance del ciclo hidrológico y como tal debe tratarse con cuidado para no alterarlo o dañarlo de manera radical. Su importancia es tal que ocupa el segundo lugar en la distribución de volúmenes de agua sobre la tierra con un 2%, mientras que el primer lugar es para los océanos y mares con un 94%.
AGUAS SUBTERRANEAS
1. EL AGUA SUBTERRANEA COMO RECURSO NATURAL El agua subterránea es el recurso natural que tradicionalmente a interesado al hombre con el fin de explotarlo para el abastecimiento de agua a una comunidad, cuando por las características físicas de la región no se dispone de aguas superficiales de utilización factible. Las aguas subterráneas para utilizarlas en el abastecimiento de una comunidad se cumplen en tres etapas
Exploración Evaluación Explotación
CONTAMINACION DE AGUAS SUBTERRANEAS CONTAMINACIÓN POR LA AGRICULTURA.- El uso del nitrato en
las plantaciones de café, pues análisis hechos mensualmente durante dos años, demuestran que el uso directo del nitrógeno facilita su filtración por las capas de la tierra y contamina las aguas subterráneas. CONTAMINACIÓN POR INDUSTRIAS.- En superficies aledañas a fábricas de insecticidas, se reporta que las aguas subterráneas tienen un alto contenido de cromo en formas químicas muy solubles, por lo que el elemento se esta dispersando en el entorno. Principalmente se infiltra y contamina aguas subterráneas. Esto se produce CONTAMINACIÓN POR URBANISMO.principalmente al urbanizar áreas destinadas a la agricultura. CONTAMINACIÓN POR MINERÍA.- Los productos residuales sólidos y líquidos derivados de la actividad minera, afectan las aguas subterráneas
VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS El agua a tenido filtración natural por lo que el agua no requiere un tratamiento de turbiedad ni de microorganismos (vierte agua cristalina y limpia) La línea de conducción es relativamente corta, pues la captación normalmente esta cerca a la población a la cual se la abastecerá de agua. DESVENTAJAS El agua como disolvente extraordinario va disolviendo las rocas del suelo y el agua se va contaminando con diversos minerales y sales. Su extracción requiere de equipo mecánico y utilización de energía
2. EXPLORACION Esta etapa consiste en la localización del depósito de agua mediante diversos métodos. Al depósito de agua se le suele llamar acuífero y se lo define como una formación geológica capaz de proporcionar agua en cantidad y calidad suficiente para las necesidades del hombre a un costo razonable. La diferencia entre la cantidad de precipitación y la cantidad de agua arrastrada por los ríos, se filtra bajo el suelo y forma los acuíferos. La filtración depende de las características físicas de las rocas. La porosidad no es sinónimo de permeabilidad, pues determinadas rocas como las arcillosas, aunque tienen una gran porosidad, son prácticamente impermeables ya que no disponen de conductos que se comuniquen. Los métodos de exploración pueden ser geológicos o geofísicos, y cada uno de ellos puede ser superficial o profundo
MÉTODOS GEOLÓGICOS Se recurre a métodos tales como la interpretación de mapas, fotogrametría y fotointerpretación, y perforaciones en el campo
FOTOGRAFÍA AÉREA
MÉTODOS GEOFÍSICOS Consiste en la utilización de métodos tales como refracción sísmica, resistividad eléctrica y perfiles eléctricos
GRÁFICOS DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA (ohm-m).
RESULTADO BIDIMENSIONAL DE LA PROSPECCIÓN ELÉCTRICA
3. EVALUACION El objetivo de esta segunda etapa es la evaluación del caudal máximo de producción del acuífero, mediante la medición en el terreno de los parámetros hidrogeológicos y de producción del acuífero durante el bombeo de agua en un pozo. Se busca mantener un balance favorable entre los beneficios que traen el bombeo del agua y los cambios indeseados que puede traer su extracción. El cambio más inmediato resultante del bombeo es el descenso del nivel piezometrito del acuífero. Teniendo en cuenta el concepto anterior, se puede hacer las siguientes definiciones: Producción del acuífero: El caudal máximo obtenido sin que haya una disminución perjudicial de la altura hidráulica que impida el flujo de agua en cantidad suficiente hacia el pozo Producción del pozo: Es el caudal máximo obtenido de manera que evite un descenso en el nivel del agua por debajo de la tubería de succión
Continuación…….
De acuerdo con el grado de confinamiento de la formación geológica saturada, los acuíferos se pueden clasificar como:
ACUÍFERO CONFINADO, el agua se encuentra a presión, de modo que si extraemos agua de el, ningún poro se vacía, solo disminuye la presión del agua y en menor medida la de la matriz sólida. Al disminuir la presión del agua, que colaboraba con la matriz sólida en la sustentación de todos los materiales suprayacentes, pueden llegar a producirse asentamientos y subsidencia del terreno. La superficie virtual formada por los puntos que alcanzaría el agua si se hicieran infinitas perforaciones en el acuífero, se denomina superficie piezométrica, y en un punto concreto, en un pozo, se habla de nivel piezométrico, (en griego: piezo= presión)
ACUIFERO CONFINADO
ACUÍFERO LIBRE El agua se encuentra rellenando los poros o fisuras por gravedad, igual que el agua de una piscina llena el recipiente que la contiene. La superficie hasta donde llega el agua se denomina superficie freática, cuando esta superficie es cortada por un pozo se habla del nivel freático en ese punto. En los acuíferos libres se habla también de espesor saturado, que será menor o igual que el espesor del estrato o formación geológica correspondiente
ACUIFERO LIBRE
COMPORTAMIENTO HIDROGEOLOGICO DE LOS ACUIFEROS (Hidráulica de las aguas subterráneas) A. POROSIDAD Porosidad Total. mt = Volumen de huecos/Volumen total
Puede expresarse en porcentaje (%) o en tanto por uno (en cualquier caso es adimensional). Es decir que 12% es equivalente a 0.12, pero dejando claro como se esta expresando, porque también puede existir una porosidad del 0.12% Porosidad Eficaz.
me= Volumen de agua drenada por gravedad / Volumen total
Se expresa igual que la porosidad total El parámetro que relaciona a la porosidad total y eficaz es la Retención específica , que esta definida de la siguiente manera: Re = mt - me
POROSIDAD
B. PERMEABILIDAD. (Conductividad Hidráulica) "K" Se define como la facilidad que un cuerpo ofrece a ser atravesado por un fluido, en este caso el agua En hidrogeología, la permeabilidad es un concepto mas preciso. Es la constante de proporcionalidad lineal entre el caudal y el gradiente hidráulico. Caudal por unidad de sección = K. gradiente hidráulico Debemos de entender que el gradiente es como la pendiente que obliga a una bola rodar por un plano inclinado. Aquí obliga al agua a circular a través del medio poroso, y, lógicamente, a mayor gradiente, circulara mayor caudal. La ecuación anterior es la ecuación de Darcy, y la citamos aquí solo para definir el concepto de permeabilidad y obtener sus unidades: despejando en la formula anterior se comprueba que las unidades de "K" son las de una velocidad (L/T). En el sistema internacional serian m/s, pero para manejar números mas cómodos, por tradición se continua utilizando metros/día. En geotecnia y otras ramas de la ingeniería se utiliza el cm./seg.
PERMEABILIDAD
C. TRANSMISIVIDAD
Si observamos el dibujo intuimos que los dos estratos acuíferos deben proporcionar el mismo caudal: uno tiene la mitad de permeabilidad, pero el doble de espesor que el otro. Por tanto el parámetro que nos indique la facilidad del agua de circular horizontalmente por una formación geológica será una combinación de la permeabilidad y el espesor. Transmisividad = Permeabilidad x Espesor Como las unidades de la permeabilidad son (L/T) y las del espesor L, las unidades de la transmisividad serán L2/T. Por ejemplo: m2/día, o cm2/seg
TRANSMISIVIDAD
S
VL
Vts
D. COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO Hemos visto que el volumen de agua que proporciona un acuífero libre se puede calcular mediante la porosidad eficaz. Pero este parámetro no nos sirve en el caso de los acuíferos confinados: cuando proporcionan agua, todos sus poros continúan saturados, solo disminuye la presión, de modo que el dato de la porosidad eficaz no indica nada. Necesitamos un parámetro que indique el agua liberada al disminuir la presión en el acuífero. El coeficiente de almacenamiento (S), es el volumen de agua liberada en una columna de base, una unidad cuadrada, y de altura todo el espesor del acuífero cuando el nivel piezométrico desciende una unidad. S = VL/Vts Donde: VL = Volumen de agua liberado Vts = Volumen total que ha bajado la superficie piezométrica
COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO
Figura a.- se represente el concepto de una columna de 1 m2 de acuífero, la superficie piezometrica a descendido 1 metro al extraer un volumen S. Es evidente que el concepto de porosidad eficaz encaja perfectamente en el concepto de coeficiente de almacenamiento.
COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO
Figura b.- si consideramos 1 m2 de acuífero libre y hacemos descender 1 metro de superficie freática el volumen de agua que habremos extraído, será la porosidad eficaz me
COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO
A pesar que son conceptos equivalentes, reparemos en que el acuífero libre nos proporciona el volumen me por vaciado del 1 m3 superior (el volumen que aparéese en el dibujo entre las dos posiciones de la superficie freática), mientras que en el acuífero cautivo, cuando el nivel desciende 1 metro, es toda la columna de acuífero que aporta el volumen de agua S. El coeficiente de almacenamiento es, como la porosidad eficaz, adimensional (volumen/volumen), y los valores típicos serian estos Acuíferos libres: 0.3 a 0.01 Acuíferos confinados 0.00001a 0.000001
PRUEBAS DE EQUILIBRIO Con el fin de determinar los parámetros de producción del acuífero se realizan pruebas de equilibrio que consiste en perforar un pozo central y dos pozos de observación de menor diámetro. Se inicia luego el bombeo del agua para extraer el caudal necesario, según los requerimientos del diseño hasta que los niveles en los pozos se mantengan constantes. Bajo estas condiciones se puede calcular los parámetros necesarios según el tipo de acuífero que se tenga.
ACUÍFERO NO CONFINADO EN EQUILIBRIO
ACUÍFERO CONFINADO EN EQUILIBRIO
4.
EXPLOTACION
En esta última etapa del desarrollo de los recursos de agua subterránea, se consideran las estrategias óptimas de desarrollo, la interacción entre la explotación del agua subterránea y el balance general de agua en la cuenca. Al explorar un acuífero para el abastecimiento de agua a una comunidad, se perfora por lo general más de un pozo. La superposición de las áreas de influencia de cada uno de ellos trae consigo la reducción de la producción total del sistema de pozos. El porcentaje de interferencia se puede estimar a partir de la siguiente tabla, en función de la distancia de cada uno de los pozos.
ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA DE UN POZO DE BOMBEO
