Obras de captación – Sistema de agua potable OBRAS DE CAPTACIÓN Las obras de captación son las obras civiles y equipos electromecánicos que se utilizan para reunir y disponer adecuadamente del agua superficial o subterránea. Dichas obras varían de acuerdo con la naturaleza de la fuente de abastecimiento su localización y magnitud. Algunos ejemplos de obras de captación se esquematizan en la Fig 2.1 . El diseño de la obra de captación debe ser tal que prevea las posibilidades de contaminación del agua.
Fig. 2.1 Obra de Captación Es necesario separar en el término general de “obra de captación” el dispositivo de captación propiamente dicho y las estructuras complementarias que hacen posible su buen funcionamiento. Un dique toma, por ejemplo, es una estructura complementaria, ya que su función es represar las aguas de un río a fin de asegurar una carga hidráulica suficiente para la entrada de una estabilidad y durabilidad. Un dispositivo de captación puede consistir de un simple tubo, la pichancha de una bomba, un tanque, un canal, una galería filtrante, etc., y representa parte vital de la obra de toma que asegura, bajo cualquier condición de régimen, la captación de las aguas en la calidad prevista. El mérito principal de los dispositivos de captación radica en su buen funcionamiento hidráulico. OBRAS DE CAPTACIÓN METEÓRICAS CAPTACIÓN DE AGUAS PLUVIALES La captación de estas puede hacerse en los tejados o áreas especiales debidamente dispuestas. En estas condiciones el agua arrastra las impurezas de dichas superficies, por lo que para hacerla potable es preciso filtrarla. La filtración se consigue mediante la instalación de un filtro en la misma cisterna. Un dispositivo de este tipo se ilustra en la figura 2.2
Fig. 2.2 Captación de Agua Pluvial La recolección de agua de lluvia como única fuente de agua, sólo es conveniente en regiones con lluvia confiable a lo largo del año (o donde no están disponibles otras fuentes de agua), debido a que las obras individuales de almacenamiento para todas las casas de una comunidad rural pueden ser costosas. La cantidad de agua de lluvia que puede recolectarse depende del área de captación y de la precipitación promedio anual. Un milímetro de lluvia en un metro cuadrado produce alrededor de 0.8 litros de agua, considerando la evaporación y otras pérdidas. Cuando se diseña un sistema de captación de aguas pluviales es necesario determinar el área de captación y el volumen de almacenamiento. Vs = D x t x ( 1 + l) x P Donde: Vs : Volumen de almacenamiento necesario para satisfacer la demanda en época de secas D : dotación, L/ hab./ día t : tiempo que dura la temporada de secas, días l : Factor de seguridad, mínimo 30 % en decimal P : número de habitantes
El volumen anual de agua de lluvia captada se puede estimar a partir de la ecuación ( 1 ) donde se relaciona la precipitación media anual y área de captación. En diseños conservadores es conveniente considerar que se pueden aprovechar el 75 % de la precipitación total anual. Vc = Pr x A x n _________ ( 1 ) Donde: Vc : volumen anual captado, m3 Pr : precipitación media anual, m A n
: área de captación, m2 : eficiencia de captación del agua pluvial, decimal
Si el volumen anual captado es mayor que el volumen de almacenamiento necesario para satisfacer la demanda durante la época de secas, no existirá problema de suministro. En el caso contrario, se tendrán problemas de abastecimiento. Entonces, al considerar sistemas de abastecimiento con agua de lluvia, se deberá garantizar al menos que el volumen captado es igual al volumen almacenado para satisfacer la demanda durante la época de sequía. EJEMPLO.1 Determinar qué volumen de agua puede ser almacenado en una cisterna próxima a una casa rural, con un área de captación de 70 m2, si la precipitación media anual es de 90 cm. Solución: Considerando una eficiencia de captación de 75 % (diseño conservador) y convirtiendo la precipitación media anual a metro, se tiene: Vc = 0.90 m (70 m2) (0.75) = 47.25 m3 EJEMPLO 2 Calcular el volumen de agua que se debe almacenar en una cisterna para una población de 1500 habitantes si se les asigna una dotación de 100 l/hab./día. La precipitación media anual es de 90 cm, y la época de lluvias dura 4 meses. Determinar el área de captación requerida para satisfacer el volumen de almacenamiento requerido. Solución: La duración de la época de sequía será: T = 8 meses x 30 días /mes = 240 El volumen necesario Vs, para el consumo en época de secas, considerando un factor de seguridad de 30% será. Vs = 100 L / hab. d x 240 d x (1 + 0.30 ) x 1500 hab = 4.68 x 107 Litros Vs = 46, 800 m3 El volumen anual captado, considerando la precipitación media anual de 0.90 m, y un diseño conservador (75 % de eficiencia de captación), será: VC = 0.90 x A x 0.75 = 0.675 X A Para que no exista problema de suministro, al menos debe tenerse que: VC = Vs 0.675 X A = 46800 m3 Por lo que el área de captación necesaria es : A = 46800 / 0.675 = 69,333 m2 Es poco probable que la totalidad de las viviendas de la localidad considerada tengan la superficie de techos necesaria para proporcionar el área requerida para captar el agua suficiente, por lo que se
requeriría la construcción de patios de captación de agua pluvial para que ésta fuera considerada una fuente confiable de abastecimiento. Las superficies de captación de agua de lluvia en piso pueden ser materiales impermeables que han recibido acondicionamiento químico (por ejemplo, la mezcla de sales de sodio con capas superficiales de suelo arcilloso) Si la superficie es lisa y el escurrimiento se almacena en un depósito, las perdidas por evaporación, saturación del material base e infiltración, son casi nulas. Como regla general, las perdidas en superficies de captación a nivel de piso con recubrimiento de concreto o asfalto son menores al 10 %; En techos aislados recubiertos con brea (alquitrán) y grava esparcida son menores al 15 %; y en techos de lámina metálica prácticamente no hay pérdidas. Se recomienda la construcción de trincheras que desvíen los escurrimientos superficiales protejan el área de captación en piso. Asimismo, se recomienda instalar cercas para evitar el paso de animales y personas. Las tapas de registro deben estar bien selladas. Es conveniente que los tubos de ventilación estén protegidos con rejillas para evitar el paso de animales e insectos, y se tenga previsiones para evitar el paso de luz, polvo y agua superficial. La cisterna de almacenamiento debe ser impermeable, con superficies interiores El orificio del registro debe tener un brocal bien sellado y que sobresalga del nivel de piso por lo menos 10 cm. La tapa de registro debe cubrir el brocal y proyectar, por lo menos 5 cm, su pestaña hacia abajo. Para evitar contaminación y accidentes la tapa del registro debe cerrarse con candado. Es importante contar con previsiones para desviar el agua de las primeras lluvias, época en que se lava el área de captación después del estiaje. También, se recomienda contar con drenes al fondo de la cisterna de almacenamiento con el objeto de drenar sedimentos acumulados y facilitar el lavado de la misma. Ninguna tubería que entre o salga de la cisterna de almacenamiento deberá conectarse al drenaje sanitario. Las cisternas enterradas puede construirse con tabique o piedra, aunque se recomienda el concreto reforzado. Si se utiliza tabique o piedra, estos deben ser bajos en permeabilidad y colocarse con juntas de cemento Pórtland. Los tabiques deben humedecerse antes de su colocación. Un recubrimiento con mortero cemento-arena 1:3 ayudará a impermeabilizar el depósito. Con el fin de conseguir una superficie dura y no absorbente, se utiliza una llana para aplanar el recubrimiento antes de que se haya endurecido. Es necesario mantener limpias todas las conducciones que colecten agua de lluvia hacia la cisterna. Los canales y techos deben mantenerse inclinados hacia la cisterna con el fin de evitar estacionamientos de agua. Los techos utilizados para captar agua de lluvia no deben pintarse. Materiales tales como las tejas vidriadas y el acero galvanizado son apropiados para superficies de captación. El agua atmosférica susceptible de aprovecharse mejor, hasta ahora, es el agua de lluvia. OBRAS DE CAPTACIÓN SUPERFICIALES. Para el diseño de obras de captación superficiales se requiere obtener, la información siguiente: a).- Datos Hidrológicos Gasto medio, máximo y mínimo Niveles de agua normal, extraordinario y mínimo
Características de la cuenca, erosión y sedimentación Estudios de inundaciones y arrastre de cuerpos flotantes b).- Aspectos Económicos Planeamiento de opciones, elección de la más económica que cumpla con los requerimientos técnicos Costos de construcción, operación y mantenimiento Costo de las obras de protección Tipo de tenencia del terreno Tipos de obras de toma. Dependiendo de las características hidrológicas de la corriente, las obras de captación pueden agruparse en los siguientes cuatro tipos: a).- Captaciones cuando existen grandes variaciones en los niveles de la superficie libre. Torres para captar el agua a diferentes niveles, en las márgenes o en el punto más profundo del río, (Fig. 2.3)
Fig. 2.3 Torres para captar agua a diferentes niveles Estaciones de bombeo flotantes. También pueden usarse en lagos o embalses (figuras 2.4a. y 2.4b).
Fig. 2.4 a) Estación de bombeo Flotante
CAPTACIÓN EN RIO NAVEGABLE EMBALSES O EN LAGOS Y LAGUNAS
(Fig. 2.4 b) b).- Captación cuando existen pequeñas oscilaciones en los niveles de la superficie libre, como estaciones de bombeo fijas con toma directa en el rió o en un cárcamo.(Figura 2.5)
Fig. 2.5 a) En un cárcamo
Fig. 2.5 b) En río Fig. 2.5 Estación de bombeo Canales de derivación con o sin desarenadores. Una estructura de este tipo comprende, esencialmente (Figura. 2.6 )
Fig. 2.6 Canal con derivación Un muro equipado corrientemente de una compuerta en prevención de las crecidas (V1) Una incisión de la margen provista de compuertas que permiten detener las aguas en exceso y cerrar la toma (V2). Un canal ( C ) que, partiendo de la incisión cuente en su origen con un vertedor (D) que permita el retorno del agua sobrante al río, y Una compuerta (V3) que permita cerrar completamente el canal. c ).- Captaciones para escurrimientos con pequeños tirantes muro con toma directa. (Fig. 2.7)
Fig 2.7 Muro con toma directa Fig. 2.8 Muro vertedor con caja y vertedor lateral
Muro con caja y vertedor lateral. (Fig. 2.8) Muro con vertedor y caja central. (Fig. 2.9)
(Fig. 2.9) Muro vertedor con caja central y toma d).- Captación directa por gravedad o bombeo Este es el caso común para sistemas rurales por lo que se presentará con mayor detalle en un apartado especial. Captación directa Cuando el agua de un río está relativamente libre de materiales de arrastre en toda época del año, el dispositivo de captación más sencillo es un sumergido. Es conveniente orientar la entrada del tubo en forma tal que no quede enfrente la dirección de la corriente, y se debe proteger con malla metálica contra el paso de objetos flotantes(Fig 2.10 ).
Fig. 2.10 Métodos de protección de la entrada a la línea de conducción La sumergencia del dispositivo debe ser suficiente para asegurar la entrada del pago del gasto previsto en el sistema . En vista de que la dirección y velocidad de la corriente no pueden determinarse con exactitud en la zona de acercamiento es conveniente suponer una pérdida de carga por entrada equivalente a la carga de velocidad (V2/ 2g), siendo V la velocidad de flujo en el tubo para el diámetro y gastos dado y, g la aceleración de la gravedad. Esa pérdida se aumenta considerablemente si la entrada está protegida con rejillas. Su valor puede estimarse tomando en cuenta el área libre de entrada al tubo y el coeficiente de contracción del flujo a través de la rejilla. Si por ejemplo, una rejilla reduce el área del tubo en un 40 % y el coeficiente de contracción es del orden de 0.5, la perdida por entrada será de. h s = 1 x V2 0.6 x 0.5
2g
En el caso en que la captación por gravedad no sea factible debido a la topografía el método de captación recomendable es por bombeo. De las bombas disponibles comercialmente, la bomba centrífuga horizontal tiene la ventaja de que la ubicación del equipo de bombeo y el punto de captación pueden ser distintos, o sea que la estación de bombeo pude construirse en el sitio más favorable desde el punto de vista de cimentación, acceso, protección contra inundaciones, etc. Su desventaja principal es que la altura de succión queda limitada y el desnivel máximo permisible entre la bomba y el nivel de bombeo, es relativamente pequeño (Fig. 2.11)
Fig. 2.11 Captación directa con bomba centrífuga horizontal De hecho, se puede afirmar que cuando se trata de la captación directa de las aguas superficiales, el tipo de bomba más comúnmente empleada es la bomba centrífuga horizontal. Su localización recomendable se ilustra en la (Fig. 2.12)
Fig. 2.12 Localización recomendable de la toma directa en curvas La bomba centrífuga vertical (tipo pozo profundo ) tiene mayor eficiencia, pero el costo del equipo es mayor y la estación de bombeo tiene que ubicarse directamente por encima del punto de captación. Estas condiciones a veces representan problemas graves de cimentación, resultando obras de construcción sumamente costosas no compatibles con sistemas rurales (fig. 2.13).
Fig. 2.13 Captación directa con bomba centrifuga vertical OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS. El agua subterránea existe casi en cualquier parte por debajo de la superficie terrestre, la exploración de la misma consiste básicamente en determinar en dónde se encuentra bajo las condiciones que le permitan llegar rápidamente a los pozos a fin de poder ser utilizada en forma económica. La manera práctica de hacer lo anterior incluye la aplicación de conocimientos técnicos, experiencia en la perforación y sentido común.(Fig. 2.14 Identificación de las aguas subterráneas).
(Fig. 2.14) A continuación se describe un enfoque para realizar una exploración del agua subterránea. Ciertos indicios útiles en la localización de abastecimientos de agua subterránea son por ejemplo, que ésta probablemente se encuentra en mayores cantidades bajo los valles que en las partes altas; en las zonas áridas cierto tipo de plantas; nos indican que el agua que las nutre se encuentra a poca profundidad; asimismo en las áreas en donde el agua aparece superficialmente como son manantiales, pantanos y lagos, también debe existir agua subterránea aunque no necesariamente en grandes
cantidades o de buena calidad; sin embargo, los indicios más valiosos son las rocas, ya que los hidrólogos y los geólogos las agrupan sin importar que sean consolidadas como las areniscas, calizas, granitos y basaltos; o no consolidadas como las gravas, arenas y arcillas. La grava, la arena, y las calizas, son las mejores conductoras del agua, sin embargo, solo constituyen una parte de las rocas que forman la corteza terrestre y no todas ellas aportan la misma cantidad de agua. La mayor parte de las rocas constituidas de arcilla, lutitas y rocas cristalinas son en general pobres productoras, pero pueden aportar agua suficiente para usos domésticos en las áreas en donde no se encuentran buenos acuíferos. Los lineamientos generales para realizar una exploración del agua subterránea son los siguientes: Primero se elabora un plano geológico que muestre los diferentes tipos de roca que afloren a la superficie y de ser posible, secciones y explicaciones anexas, deben mostrar justamente cuáles rocas son probables conductoras de agua y en donde se encuentran por debajo de la superficie. Después de reunirse toda la información respecto a la existencia de pozos, su localización, profundidad de perforación, profundidad a nivel del agua, caudal promedio y el tipo de rocas que se hayan encontrado al perforar. La historia de los pozos en donde el perforista ha tenido el cuidado de registrar la profundidad y el tipo de los diferentes estratos que ha ido encontrando al realizar la perforación, siempre son de gran utilidad para conocer las condiciones geohidrológicas de cualquier región. La historia de un pozo es realmente útil cuando incluye lo siguiente: Muestras de las rocas, información de cuáles estratos contienen agua y con qué facilidad la ceden, la profundidad a que se encuentre el nivel estático del agua en los estratos que la contengan y los datos de las pruebas de aforo y bombeo de cada uno de los acuíferos a fin de poder determinar cuánta agua pueden aportar y cuánto se abate el nivel del agua de acuerdo a los caudales de bombeo. Cuando no hay pozos o no existe la suficiente información sobre ellos, es necesario perforar algunos pozos de exploración, mediante los cuales se obtienen muestras del material encontrado durante el avance de la perforación, mismo que posteriormente es examinado y analizado para determinar cuáles estratos son los que contienen agua y de que tamaño son las áreas en que se extienden. Los reportes y los planos que sobre las condiciones geohidrológicas de cualquier región se elaboren, deben mencionar los lugares en donde puede encontrarse el agua subterránea, la calidad química de ésta y en forma muy general que cantidad puede obtenerse, asimismo los lugares en que tienen lugar la recarga y descarga natural de los acuíferos. RECONOCIMIENTOS GEOLÓGICOS: Mediante los reconocimientos geológicos es posible obtener conclusiones hidrogeológicas de una región, pudiéndose avanzar en forma rápida gracias al desarrollo que ha tenido a últimas fechas la fotointerpretación; sin embargo, en cualquier estudio siempre serán necesarios los reconocimientos de campo, que permiten afinar lo observado en las fotografías. En la exploración, el geólogo se sirve de la petrografía, de la estratigrafía de la geología estructural y de la geomorfología. La petrografía constituye uno de los renglones más importantes dentro de los reconocimientos geológicos, ya que mediante ella, es posible determinar la porosidad y la permeabilidad característica
de los diferentes tipos de roca, eliminando en función de dichas características, las zonas que no representan condiciones favorables para la localización del agua subterránea. La porosidad determina la cantidad de agua que puede almacenarse y la permeabilidad la facilidad con que ésta puede extraerse. La tabla 2.1 muestra una clasificación general de algunos tipos de rocas en función de su porosidad y de su permeabilidad. TABLA 2.1 - PROPIEDADES ACUIFERAS DE ALGUNAS ROCAS COMUNES PERMEABILIDADPOROSIDAD PERMEABILIDAD MAXIMA
POROSIDAD MÁXIMA
Gravas bien clasificadas
Arcillas blandas
Basalto poroso
Limos
Caliza calsificada
Tobas
Arenas bien clasificas
Arenas bien clasificadas
Arenas y gravas mal clasificadas
Arenas y gravas mal clasificada.
Rocas cristalinas fracturadas
Arenisca
Limos y tobas
Basalto poroso
Arcillas Roca cristalina masiva
Caliza calsificada Roca cristalina fracturada
Roca cristalina masiva. La estratigrafía es un instrumento esencial para la prospección hidrogeológica de extensas regiones de rocas sedimentarias o volcánicas. La posición y el espesor de los horizontes acuíferos así como la continuidad de las capas confinantes revisten particular importancia, por lo que el auxilio de la estratigrafía resulta siempre indispensable. La geología estructural junto con la estratigrafía se utiliza en la localización de los horizontes acuíferos que hayan sido desplazados por movimientos tectónicos. Los estudios estructurales son también utilizados para localizar zonas de fracturación en
rocas
compactas pero frágiles; o bien en la localización de fallas en materiales no consolidados que en ocasiones pueden formar barreras hidrológicas, las cuales son importantes en el estudio del movimiento del agua subterránea. Las aguas de las capas acuíferas del subsuelo se clasifican en: a) aguas freáticas y b) aguas artesianas. Las aguas freáticas son aquellas que no tiene presión hidrostática, trabajan por la acción de la presión atmosférica, circulando el agua en materiales graduados, no confinados, como arenas y gravas, esta agua se localiza a profundidades que van de 1.0 a 30.0 metros . Las aguas artesianas son aquellas que están confinadas bajo una presión hidrostática mayor que la atmosférica, por una capa superpuesta de material relativamente impermeable esta agua se localiza a profundidades que van de 31.0 a 300 metros de profundidad o más. Desde el punto de vista de calidad las aguas artesianas es la de mejor calidad; en muchos casos potable, en otros muy mineralizada y es la que esta menos expuesta ala contaminación. Se estima que
aproximadamente el 90% el agua que se usa para industria y más o menos el 70% de los abastecimientos públicos de agua para consumo domestico, procede del bombeo de aguas subterráneas, en nuestro medio. CAPTACIÓN DE MANANTIALES: Generalidades. El principal objetivo es captar y aprovechar los pequeños manantiales, que se encuentran generalmente en las laderas de las montañas, con el fin de llevar el agua a las partes bajas, donde se aprovechará para el consumo humano ( figura 2.1.a) Los factores más importantes que intervienen en la localización, dirección y Área de influencia de los afloramientos son: - El ciclo hidrológico de la región - La topografía - La geología de la cuenca Las aguas de manantial generalmente fluyen desde un estrato acuífero de arena y grava y afloran a la superficie debido a la presencia de un estrato de material impermeable, tal como arcilla o roca, que les impide fluir e infiltrarse. Los mejores lugares para buscar manantiales son las laderas de montañas. La vegetación verde en un cierto punto de un área seca puede indicar la presencia de un manantial en el lugar o aguas arriba. Los habitantes de la zona son los mejores guías, y probablemente, conocen todos los manantiales del área. El agua de manantial generalmente es potable, pero puede contaminarse si aflora en un estanque o al fluir sobre el terreno. Por esta razón el manantial debe protegerse con mampostería de tabique o piedra, de manera que el agua fluya directamente hacia una tubería, evitando así que pueda ser contaminada. Para proteger el manantial debe excavarse la ladera donde el agua sale y construirse un tanque o “caja de manantial”, como se muestra en la (Fig. 2.15) El detalle de la figura muestra la unión de la tubería con los codos a 90o, con el fin de permitir que el filtro sea levantado sobre el nivel del agua para su limpieza. Debe tenerse el cuidado de no excavar demasiado en el estrato impermeable, ya que puede provocarse que el manantial desaparezca o aflore en otro sitio.
Fig. 2.15 Caja de Manantial Antes de construir el muro de la caja de manantial adyacente a la ladera, es conveniente apilar rocas sin juntear contra el “ojo del manantial”. Esto es con el fin de construir una cimentación adecuada del muro posterior para evitar que al salir el agua deslave el material del acuífero. Debe tenerse presente que después de una lluvia el agua puede fluir más rápidamente por lo que el muro debe quedar firmemente colocado, para ello se pueden emplear rocas de gran tamaño combinadas con algunas pequeñas, grava e incluso arena para llenar los espacios. La tubería de salida debe estar colocada a cuando menos 10 cm sobre el fondo de la caja y bajo el nivel donde aflora el agua. Si el nivel del agua en la caja del manantial fuera muy alto, los sedimentos podrían bloquear el afloramiento del agua. En el extremo de la tubería de salida, localizado en interior de la caja, debe instalarse un filtro para evitar que piedras, ramas u otros objetos obstruyan la tubería. Una manera de hacer este filtro es con un tramo corto de tubería de polietileno, taponado en un extremo y con pequeñas perforaciones a su alrededor. También debe instalarse una tubería de demasías de diámetro suficiente para desaguar el gasto máximo en época de lluvias bajo el nivel de afloramiento del agua. El extremo de la tubería de demasías localizado en el interior de la caja debe quedar cubierto con un filtro adecuado para mantener fuera a los mosquitos y a las ramas. La losa de la caja debe quedar al menos 30 cm arriba del nivel del terreno para evitar que el agua de lluvia entre a la caja. También con esta finalidad, el registro que se construye en el techo de la caja debe tener un reborde de 10 cm. La tapa de registro debe quedar asegurada con bisagras y candado. Una tercera tubería localizada en el fondo de la caja se instala con la finalidad de extraer los sedimentos. Esta tubería debe tener en su extremo un tapón que no pueda retirar cualquier persona sin herramientas.
Si no es posible hacer una excavación suficiente para que el fondo de la caja del manantial esté 10 cm por debajo de la tubería de salida, entonces puede usarse una tubería de 5 cm de diámetro y conducir el agua a otra caja localizada a una distancia no mayor de 50 m a la cual se le llama “trampa de sedimentos” (Fig.2.16). Esta caja también debe tener losa, tubería de demasías a prueba de mosquitos y tubería de salida a 10 cm del fondo con filtro. Si el manantial tiene un rendimiento menor a 5 litros por minuto la trampa se puede construir para varios manantiales, como se muestra en la (Fig. 2.16). Esta caja debe contar con registro
Fig. 2.16 Tres manantiales protegidos conectados a una trampa de sedimentos Los manantiales pueden ser de afloramiento, de emergencia, de grieta o filón según los insterticios de donde proviene el agua y de tipo artesiano según su origen Fig. 2.17.
(Fig. 2.17) La captación se puede hacer mediante cajas cerradas de concreto reforzado o mampostería denominadas cajas colectoras. El agua se debe extraer solamente con una tubería que atraviese la caja. Se debe excavar lo suficiente para encontrar las verdaderas salidas del agua, procurando que la entrada del agua a la caja de captación se efectúe lo mas profundo posible, se debe de dotar a la caja de un vertedor de demasías (Fig. 2.18 a y b )
CAJA COLECTORA PARA CAPTAR LAS AGUAS DE MANANTIAL (Fig. 2.18 a) PERFIL CAJA COLECTORA
CAJA COLECTORA (Fig. 2.18 b) PLANTA Y PERFIL CAJA COLECTORA Recomendaciones para evitar la perdida del manantial o bien la disminución del gasto: Limpiar con todo cuidado la zona de afloramientos, quitando árboles, basuras, lodo, hierbas, etc. Conducir el agua por medio de tubería perforada de barro o de concreto sin juntear (Galería Filtrante), localizada a un nivel inferior al que tengan los brotes de agua, basta una caja colectora de mampostería, la cual debe tacharse con una losa de concreto. Al construir las cajas colectoras los muros no se deben desplantar a mucha profundidad, ya que al afectar excavaciones en la zona de afloramiento se notan cambios en el régimen hidráulico. Debe evitarse el uso de explosivos que casi siempre hacen perder el afloramiento y a veces es imposible volver a localizarlos.
Debe evitarse el bombeo que se hace para trabajar en seco, pues aleja algunas corrientes de agua y aunque en ocasiones vuelven a aparecer en la superficie, pueden cambiar la localización del manantial. Hay que tener presente que la colocación de tuberías, materiales graduados, cajas colectoras, etc., debe hacerse precisamente sobre el manantial y no construir la conducción hasta tener una idea del gasto efectivo. AGUAS FREÁTICAS Como ya sabemos, estas aguas se caracterizan por estar a la presión atmosférica, esta agua no tienen presión hidrostática y circular en materiales granulares no confinados como arena, grava etc. Estas aguas se captan mediante pozos noria, mediante galerías filtrantes, mediante sistemas de puyones o de pozos Ranney. POZOS SOMEROS Los pozos someros a cielo abierto ( norias) Son aquellos que permiten la explotación del agua freática y/o subálvea. Se construyen con picos y palas; tienen diámetros mínimos de 1.5 m. y no más de 30 m. de profundidad. Para permitir el paso del agua a través de las paredes de los pozos someros se dejan perforaciones de 25mm de diámetro con espaciamiento entre 15 y 25 cm, centro a centro. Si las paredes del pozo son de mampostería de piedra o tabique, se dejan espacios sin juntear en el estrato permeable para permitir el paso del agua (Fig. 2.19).
2.19 Pozos Somero Los pozos someros ( hasta 30 metros de profundidad ) pueden tener las siguientes desventajas para servicio público. Da un rendimiento variable por la fluctuación considerable del nivel freático Calidad sanitaria del agua probablemente deficiente. Para estos pozos excavados a cielo abierto existe el procedimiento tipo ” indio ” ( por tener su origen en la India ). En estos pozos, la cimbra se forma previamente en el exterior y en el sitio de la construcción, se arma el refuerzo y se va colocando el ademe o pared, mismo que por su propio peso y con el auxilio de la excavación se va hundiendo a medida que se profundiza el pozo. El ademe se forma en anillos de 1.00 a 1.50 m. de altura, con el diámetro requerido y espesor mínimo de 0.30 m. dependiendo éste último del peso que debe tener los anillos para vencer la fricción entre el concreto y el suelo ( Figura 2.20 ).
fig. 2.20 pozo tipo noria CAPTACIÓN POR GALERÍAS FILTRANTES. Una galería filtrante se utiliza principalmente para captar el agua subálvea de corrientes superficiales, construyéndose de preferencia en los márgenes, paralelamente a la corriente o transversalmente,
también cuando el agua subterránea está a profundidad moderada. Estas obras, en lo general, deben proyectarse de acuerdo con la posición y forma del acuífero, con el corte geológico y con las curvas de nivel del terreno y de la superficie exterior del nivel freático, a fin de orientar la galería con la dirección de la mayor pendiente de la superficie formada por el nivel de saturación. Las galerías filtrantes son excavaciones en túneles o a cielo abierto, revestidas o no, que penetran en la zona de saturación del terreno para captar y colectar por gravedad el agua del subsuelo. Se pude calcular el gasto de extracción de una galería filtrante utilizando la ley de Darcy Tomando en consideración el tipo de terreno en cual se haya. Si se tiene un excavación uniforme el área es función de Y; entonces Q = K Ai
Este gasto es unitario, es decir, por metro de longitud de galería y por lado ya que representa el aportado por una sola de sus paredes. Donde: Q = Gasto en m3/dia.. K = Coeficiente de permeabilidad y su valor varía según el diámetro efectivo del material adyacente como ya se explico . R = Radio del círculo de influencia en m. H = Carga estática o distancia vertical del nivel estático al estrato impermeable en m. L = Longitud de la galería en m. h’ = Abatimiento observado. El área de penetración queda definida por la grava de envoltura del tubo de recolección y la longitud total del mismo. Para los afectos de adaptación indirecta de aguas superficiales normalmente se toma el área de la cara hacia él rió, dejando el flujo desde el lado opuesto como margen de seguridad. El gradiente hidráulico disponible es tomado desde el nivel del agua en él rió hasta la grava de envoltura.
Por consiguiente, i = Z/L siendo Z la profundidad de la grava de envoltura con respecto al nivel estático de las aguas subterráneas y L, la distancia desde la orilla del rió hasta la galería. Como se puede ver en esta forma se obtiene el gradiente mínimo, ya que para estratos de alta permeabilidad puede presentarse el caso en que la depresión del nivel de las aguas subterráneas se inicie cerca de la galería, y la distancia L para el mismo valor de Z será mucho menor. Esta condición se refleja en una producción superior a la estimada, por lo tanto, se tendrá un factor de seguridad adicional. Es de observarse, también, que tanto el nivel del rió como el nivel estático de las aguas subterráneas varía según la época del año. Evidentemente, habrá que diseñar la galería tomando como base el nivel mínimo estimado. El diámetro y la separación de las perforaciones de la tubería de recolección se calculan para obtener una velocidad de entrada tal que se evite un arrastre de partículas finas desde el acuífero hasta dicha tubería. Esta velocidad puede fijarse de 5 a 10 cm/s, logrando este valor en la mayoría de los casos sin dificultad alguna. El tamaño de la grava de envoltura es función de la granulometría del acuífero y de las perforaciones de la tubería de recolección empleando normalmente piedra picada de ½ a 1” de diámetro nominal cerca del acuífero y tamaños ligeramente mayores cerca del tubo. La posición de la galería en un río puede ser transversal a la corriente o paralela a ella dentro o fuera del cauce, de acuerdo con la distribución y la circulación del agua freática o subálvea, que se determinarán por la observación de los pozos de exploración. Localización.- Se pueden construir paralelas o perpendiculares a la corriente, lo primero es lo más recomendable, debiéndose hacer la construcción en el estiaje( figuras 2.22, 2.23, 2.24, 2.25 y 2.26). Galerías construidas por medio de tubos.- En la captación de agua por medio de galerías filtrantes se utilizaron varios años perforadas con diámetro menor a 45 cm. El uso de tubos de concreto obligada a tener grandes diámetros y longitudes importantes de galería que encarecería mucho la obra; además, el manejo de los tubos de concreto simple perforados tenía que ser muy cuidadoso. Las galerías filtrantes se emplean también en la captación de manantiales cuando se presentan en las laderas o cuando afloran en una superficie y no en un punto definido ( figuras 2.21e , 2.21.f y 2.21.g). Hidráulica de las galerías.- Las formulas teóricas que se han desarrollado para él calculo de los gastos que se pueden captar con una galería filtrante están basados fundamentalmente en la “Ley de filtración de Darcy”, y en las teorías sobre el escurrimiento del agua en medios permeables, homogéneos e isotrópicos. También el diseño de la galería se puede hacer como sigue: conocido el gasto requerido, se elige un diámetro en los catálogos de tubería de acero ranurada por ademe, de preferencia la de tipo “concha”, con ranuras de 4.78 a 6.35 mm, obteniendo el área de infiltración requerida, dividiendo el gasto entre la velocidad de entrada del agua a través de las ranuras, considerando un valor de 1.0 cm/seg. La longitud de la tubería se obtendrá dividiendo el área obtenida entre el área de infiltración por metro, del diámetro considerado. PLANTA GALERIA FILTRANTE HORIZONTAL (CON CAJA COLECTORA)
(Fig. 2.21 f) GALERIA FILTRANTE HORIZONTAL CON CAJA COLECTORA
(Fig 2.21 g) Perfil caja colectora con galería filtrante horizontal PLANTA DE LA GALERÍA HORIZONTAL Y MURO DE CONTENCIÓN ESC:1:50
(Fig 2.21 e) GALERÍA FILTRANTE
(Fig 2.21 h) Planta y Perfil Galería Filtrante Horizontal La tubería de la galería va unida al cárcamo de bombeo para fijar la localización, profundidad y características de la galería se efectuará previamente pruebas de campo, haciendo perforaciones de exploración con profundidades de 4 a 8 m., espaciados de 5.00 a 10.00 m. en el eje probable
de la galería. Una galería de infiltración consiste en un tubo perforado o ranurado , rodeando de una capa de grava o piedra triturada graduada instalada en el acuífero superficial, o en el caso de captación indirecta de aguas superficiales, en el estrato permeable que se comunica con dichas aguas. En los extremos aguas arriba de la galería y a una longitud aproximada de 50 m, normalmente se coloca un pozo de visita. En el extremo aguas abajo se construye un tanque o pozo recolector, de donde se conducen las aguas por gravedad o por bombeo hacia el sistema de distribución (Fig. 2.22). El tubo de recolección usualmente es de concreto o de fibrocemento. Su diámetro es función del gasto, siendo el mas recomendable del orden de 200 ó 250 mm.
(Fig. 2.22) Detalle de una Galería de infiltración La galería de infiltración se orienta con la dirección predominante del flujo subterráneo. Cuando la velocidad de un rió es pequeña y existen extractos de alta permeabilidad que se conectan, la galería normalmente se instala paralela al eje del mismo. En este caso, la dirección del flujo subterráneo principalmente es desde el río hacia la galería, aunque desde el lado opuesto de la misma también penetrará el agua, ya que el río y la instalación de la galería será análoga (Fig. 2.23 y 2.24).
Fig.
2.23 Galería de infiltración con flujo del río hacia la galería
Fig. 2.24 Galería de infiltración con flujo del acuífero al río y la galería. En caso de cursos rápidos y extractos de baja permeabilidad, será necesario investigar la dirección del flujo subterráneo, a fin de interceptar el paso del mismo con la galería de infiltración. Normalmente, unos ramales perpendiculares al eje del río dan los resultados deseados (Fig. 2.25).Cuando no existen extractos permeables con la excepción de unos bancos de arena o grava depositados por el río en un lecho limitado la galería se instala por debajo del río, normal a su eje. La misma solución se emplea cuando el acuífero es de muy baja permeabilidad.(Fig. 2.26).
Fig. 2.25 Galería de infiltración en extractos poco permeables
Fig. 2.26 Galería de infiltración bajo el lecho de un rió EJEMPLO 1.Como una idea inicial para el proyecto de una galería filtrante sin tener todavía las características del terreno, se reconoce éste como una mezcla de arena fina y sedimentos. Se desea saber la longitud de la galería para extrae un gasto de 5 lts./seg. La aportación a la galería será por ambos lados según se observa por su ubicación y condiciones geohidrológicas ; por tanto:
Q = 2 (1/2 K H2 – h2 ) L Si se excava bajo el nivel estático 2 m y el tubo de captación es de 30 cm de diámetro , entonces:
H = 2 m;
h= 0.20 m
Supóngase que; L = 10 m K = 8.64 m/día q = 8.64 4 – 0.04 10 q = 3.42 m3/día m Q = 5 lts/seg Q = 5 ( 60X 60 X 24 horas) / 1000 = 432 m3/dia/ m Q = 432 m3 /día L = 432 m3/día 3.24 m3/día m L = 126 m. EJEMPLO 2.Cálculo de la Galería filtrante horizontal. Q = 20 l./seg. V = Velocidad del agua a través de los orificios. V = 1 cm./seg. d = Diámetro de la tubería. d = 20 cm. Los diámetros de los agujeros varía de 2.5 a 5.0 cm., con una separación de 15 a 25 cm. D = Diámetro del agujero. D = 3.0 cm. A = Área de cada agujero. A = 0.785 D2
A = 0.785 ( 3.0)2 = 7.07 cm2. Tomaremos una separación de 15 cm. entre agujeros. Numero de agujeros = 100 cm/ 15 cm = 6.66 = 7 agujeros Número de hileras = semi perímetro /2S = ¶D /2S = ( 3.1416 X 0.20 ) / 2 X 0.15) = 2.09 = 3 Número de agujeros por metro = 7 agujeros x 3 = 21 agujeros. At = Area total. At = 7.07 x 21 = 148 cm²/ml. Ai = Área de infiltración. Para determinar la longitud de la tubería: Área de infiltración: Área total de un orificio / metro por longitud. EJEMPLO No. 3.Calculo de la longitud de una galería filtrante horizontal. Q = 7.94 l/seg. V = Velocidad del agua a través de las fisuras = 1 cm./seg. d = Diámetro de la tubería = 20 cm. D = Diámetro de los agujeros ( 2.5 – 5.0 cm. ) = 3 cm. S = Separación entre agujeros ( 15- 25 cm. ) = 15 cm. Ao = Área de agujeros = 0.785 d² = 0.785 ( 3 ) ² = 7.07 cm² No. de agujeros / m. = 100 cm. / 15 cm. = 6.66 7 agujeros. Número de hileros = semi-perímetro = ¶D/2S = ( 3.1416 x 0.20 ) / 2 x 0.15 ) = 2.09 = 3.0 No. de agujeros por metro = 7 x 3 hiladas = 21 agujeros/ ml. At = Área total de los agujeros . At = 7.07 cm. ² x 21 = 148 cm. ² / ml. Ai = Área de infiltración. Se usará tubería de concreto simple ranurada con una longitud de 54 ml. y con un diámetro de 20 cm. orificio de 3 cm. de diámetro, separada 15 cm. POZOS RANNEY O POZOS COLECTORES HORIZONTALES. Estos pozos radiales, consisten en un pozo central armado, de un diámetro inferior mínimo de 4.00 m con paredes de 0.45 m. cuyo fondo está cerrado con una solera fuerte de concreto armado ( figura 2.27.a ). A 1.20 m. del fondo del pozo y en orificios previamente dejados en las paredes del mismo, se introducen horizontalmente unos tubos perforados con longitudes de 30 a 80 m, estos tubo se introducen con ayuda de gastos hidráulicos. Los tubos llevan los siguientes accesorios (figura 2.27): - Una punta de acero en la extremidad externa, que facilitan su penetración en el terreno.
- Unos anillos que sirven de guía al tubo y un cople o manguito impermeable. - La extremidad interior de cada tubo está provista de una compuerta plana que acciona desde la casa de máquina, emplazada sobre el pozo central. Estos pozos están fundados en los principios siguientes: - Filtración de una gran superficie de capa acuífera - Extracción artificial de la arena de la misma capa acuífera. - Control del gasto del pozo cerrando los tubos convenientes. - Impermeabilidad de las paredes del pozo, pues actúa como cárcamo o recolector de las aguas subálveas. La velocidad del paso del agua por los agujeros debe estar entre 6 y 12 mm, por segundo y en el tubo mismo de 1 a 2 m, por segundo. La zona de captación que se forma alrededor de cada tubo en servicio tiene una anchura comprendida entre 1.50 y 2.50 m, según sea la composición de la capa filtrante subálvea. La capacidad de captación en régimen normal de servicio la da la fórmula: Q = 2 T r h ( K/15 )2 En la que: Q = GASTO EN M3 POR SEGUNDO R = radio del pozo en m. H = Altura del agua sobre la solera en régimen normal. K = Coeficiente de permeabilidad en m/s. El gasto pues, depende del radio r y de la altura h y como poco se puede hacer para aumentar dicha altura, debe actuarse sobre el radio, que puede ser grande. Al ser la velocidad de infiltración en estos pozos hasta 30 veces inferior a la de los ordinarios ( 0.1 mm. Contra 3 mm por segundo) el arrastre de arenas y elementos finos es menor y se reduce el peligro de asolvamiento de los tubos. Para regular esta velocidad de infiltración se maniobran las compuestas. El rendimiento hidráulico de la capa acuífera llega en estos pozos a 70 0 90 % contra 25 a 30 % de un pozo ordinario, pudiendo llegar, en capas freáticas, de 200 a 400 litros/ segundo. Si los pozos están próximo a un río, pueden dar de 750 a 1,150 litros/seg. POZO RANNEY
(Fig. 2.27 a) 2.4.5. SISTEMA DE PUYONES. También se puede captar el agua freática por un sistema llamado de puyones, cuando el medio permeable es arenoso y superficial. Este sistema consiste en hincar en el terreno una serie de tubos de pequeños diámetros ( 1″ a 2″ ) y de 4 o 5 metros de longitud ( figura2.28 ) . Estos tubos se perforan y se hincan a distancias que fluctúan entre 30 y 60 m. una de otra y se conectan todos a un tubo múltiple principal, que a su vez está conectado a una bomba centrífuga. Con éste sistema se captan pequeñas cantidades de agua, pues cada puyón en éstas condiciones capta
más de 1 lts./seg. su empleo en nuestro medio depende de las características del suelo y del nivel freático. La tubería de la galería quedará unido al cárcamo de bombeo. Para fijar la localización. Profundidad y características de la galería se efectuarán previamente pruebas de campo, haciendo perforaciones de exploración con profundidad de 4 a 8 m. espaciadas de 5 a 10 m. en el eje probable de la galería. SISTEMA DE PUYONES
(Figura 2. 28).- captación de aguas freáticas por medio del sistema de Puyones POZOS PROFUNDOS. ¿ QUE ES UN POZO DE AGUA? Es una perforación forrada o encamisada que intercepta las corrientes o acumulaciones de aguas subterráneas con el fin de extraerlas. Ya hemos visto que al agua artesiana está a presión diferente de la atmosférica por estar confinada entre dos capas de terreno impermeable. De las aguas subterráneas, ésta es la fuente que más agua proporciona y a la que se recurre cuando se abastece a poblaciones de fuerte concentración demográfica. Un “pozo artesiano” es aquel en el que el agua se eleva por encima del nivel en que se encuentra el acuífero, debido a la presión del agua aprisionada en el acuífero (Figura 2.29)
2.29 Esquema de pozos artesianos Haciendo referencia a la (Fig.2.30 y 2.31) , los componentes de los pozos son: a).-Ademe. Es una tubería, generalmente de acero, colocada con holgura dentro de la perforación. Proporciona una conexión directa entre la superficie y el acuífero y sella el pozo de las aguas indeseables superficiales o poco profundas. Además, soporta las paredes del agujero de perforación. b).- Cedazo, filtro o ademe ranurado. El cedazo es un tubo ranurado colocado al interior del ademe, que tiene las siguientes funciones: Estabilizar las paredes de la perforación. Mantener la arena fuera del pozo. Facilitar la entrada de agua al interior del pozo. Los cedazos se fabrican en tubo de diferentes metales con protección o sin ella, en aleaciones de plástico, concreto, fibrocemento o fibra de vidrio. Los más económicos y comúnmente usados, son los fabricados en tubo de acero con bajo contenido de carbón. Si las ranuras o perforaciones del cedazo no son de la dimensión precisa para el acuífero, los pozos bombearán arena.
El cedazo del pozo es particularmente susceptible al ataque corrosivo y a la incrustación por depósito de minerales debido a la gran cantidad de arena expuesta que representa el medio poroso donde se localiza. Además, el agua que lo atraviesa constantemente puede traer sólidos dispuestos que reaccionen con el material del cedazo o entre sí. c).- Empaque de grava . Las funciones principales del empaque de grava son: Estabilizar el acuífero y minimizar el bombeo de arena. Permitir el uso del cedazo con la mayor área abierta posible. Proporcionar una zona anular de alta permeabilidad, aumentando el radio efectivo del pozo y su gasto de explotación. El sitio elegido para la perforación estará de acuerdo con los estudios geohidrológicos y/o geofísicos. El proyecto de entubamiento dependerá del corte geológico del pozo ya perforado y del registro eléctrico que nos dará la profundidad del acuífero. El diámetro del ademe estará en función del diámetro de los tazones del equipo de bombeo que asegure el gasto de explotación ( Figura 2.31).
Fig. 2.30 Algunos tipos de pozos 1.Sello sanitario, generalmente con tubos de PVC. De 8” hasta 12” 2.Diámetro del pozo de 6” hasta 12“ 3.Tubo PVC encamisado de la bomba de 5” hasta 10” 4.Filtro hecho con gravas de rió no 2 ó 3 5.Ranuras 6.Nivel estático del agua 7.Bomba sumergible
8.Electrodo de seguridad 9.Cable de Bomba 10.Tanquilla de protección de la bomba 11.Tablero electrónico de seguridad de la bomba.
figura 2.31.- Corte esquemático de un pozo profundo PASOS A SEGUIR EN LA LOCALIZACIÓN DE UNA FUENTE DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE. 1).- Se visita la población y se platica con las autoridades que saben del problema del agua potable. 2).- Técnicamente se estudia el tipo de fuente que más convenga para la población. 3).- Con estos datos se elabora el estudio geohidrológico de la zona, para tener un documento que ampare la fuente que se propone. 4).- Las fuentes pueden ser: - Galerías filtrantes ya sean: Vertical, horizontal o combinadas. - Manantiales.
- Pozos profundos. Dentro de los tipos de fuentes la más difícil y la que requiere de un conocimiento Técnico-Científico, es la perforación de pozos profundos.
