GEOLOGIA GENERAL
CAP IX.- AGUAS SUBTERRANEAS
CAPITULO IX
AGUAS SUBTERRANEAS
9.1
INTRODUCCIÓN
El agua es un recurso natural, ineludible e insustituible que es cada vez más entra en los
dominios de los bienes escasos, su molécula está formada por dos átomos de hidrógeno
y uno de oxígeno y su formula química es H2O, y ocupa el 70% de la superficie de la
tierra. Es indispensable para todas las formas de vida, sin ella, el fenómeno de la vida no
hubiera ocurrido.
Agua y vida establecen una relación indisoluble; esta fuerte y total dependencia hacia el
agua se refleja en el hecho de que los seres vivos están, mayoritariamente, formados por
agua.
El agua en la tierra aparece en muchas formas distintas: el agua salada de los océanos, el
agua dulce de los lagos y ríos, el vapor de agua de la atmósfera, el agua de la lluvia y de
la nieve, el agua de los glaciares y el agua que se encuentra por debajo del superficie de
la tierra.
Toda el agua por debajo de la superficie por ejemplo el vapor del agua, la humedad del
suelo, el agua subterránea, el agua de las cuevas etc. forma el "agua del subsuelo".
La parte de la geología que investiga el agua del subsuelo (especialmente el agua
subterránea) es la hidrogeología.
El agua subterránea se mueve como el agua superficial pero más lento. La velocidad y
los movimientos dependen de la porosidad y permeabilidad del substrato (la roca o el
suelo). La investigación de los movimientos del agua subterránea y de las propiedades
hidrológicas del subterráneo es una parte importante de la hidrogeología.
Estudios de la explotación del recurso natural agua son cada día más importante porque
aunque el agua es un recurso natural renovable, la sobreexplotación del agua y la
contaminación del agua con sustancias nocivas son problemas graves en todo el mundo
(sobre todo el una región desértica), la contaminación del agua subterránea causada por
los rellenos sanitarios, plantas de tratamiento son también de gran importancia.
9.2
EL CICLO HIDROLÓGICO 1
A nivel mundial se cuenta con una cantidad total del agua de aproximadamente 1350
millones de m3. Solo una pequeña parte de esta cantidad de agua 8437500 m3
aproximadamente, forma el agua subterránea.
La tabla siguiente muestra el porcentaje de las distintas formas de agua en la tierra:
1
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Tabla 9.1 Distribución del volumen de agua en el planeta
EL AGUA EN EL MUNDO
AGUAS SUPERFICIALES Total:
Lagos de agua dulce
Lagos salados y mares interiores
Almacenamiento temporal en ríos y canales
%
0,017
0,009
0,008
0,0001
AGUAS SUBTERRÁNEAS Total:
Aguas vadosas (incluye la humedad de suelo)
Agua subterránea almacenada hasta una profundidad de 1 Km.
(algunas de estas aguas son salados)
Agua subterránea más profunda (muy salada e impotable)
0,625
0,005
0,31
OTRAS AGUAS Total:
Océanos
Atmósfera
Casquetes polares y glaciares
99,315
97,2
0,001
2,15
0,31
Fuente: Recursos hidráulicos, Felices Rocha
9.2.1 Ecuación básica de la hidrología
El ciclo hidrológico se puede escribir de la siguiente manera:
Precipitación = Escorrentía + Evaporación
Precipitación = Escorrentía Superficial + Escorrentía Subterránea + Evaporación
Es decir, los procesos de precipitación, escorrentía y evaporación forman un equilibrio.
Si no fuera así, la tierra sería hundida y prácticamente sin agua en la atmósfera en el
caso de una precipitación mayor que la evaporación, o la tierra sería un desierto sin ríos
y océanos en el caso de una evaporación mayor que la precipitación.
El siguiente diagrama ilustra los participantes más importantes del ciclo hidrológico con
las cantidades aproximadas (expresadas en km3 de agua) para la precipitación, la
escorrentía y la evaporación a escala mundial.
Fig. 9.1 Cantidades aproximadas de escorrentía, precipitación y evaporación.Fuente (http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiagenera/)
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Hay una cantidad enorme de agua, pero no toda tiene las mismas oportunidades de uso
para los fines del hombre. El agua dulce, a la que se puede tener acceso mas o menos
directo, representa solo el 0.32% (430785 Km3) de la cantidad total el planeta, de esta
ultima cantidad el 97% es agua subterránea.
El agua subterránea representa solamente una parte del agua del subsuelo que se produce
por los procesos de precipitación, escorrentía y evaporación.
Fig. 9.2 Ciclo hidrológico – Fuente (http://www.geolamb.co)
9.3
EL AGUA DEL SUBSUELO
Se puede distinguir principalmente tres tipos de agua subterránea:
9.3.1 Aguas meteóricas/aguas del intercambio
Son aguas que siempre o periódicamente participan en el ciclo hidrológico y que
circulan más superficial en niveles altos del subterráneo.
9.3.2 Aguas de reserva
Son aguas que circulan en niveles bajos y que no pertenecen al ciclo periódico. Muchas
veces este tipo de agua no participa en el ciclo hidrológico en tiempos históricos y no se
alimenta tampoco por precipitaciones o por otros procesos. Una vez explotado este
agua, el agua de reserva desaparece sin ser renovado.
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9.3.3 Aguas profundas/aguas de formación
Este agua tampoco pertenece ni participa en el ciclo hidrológico El agua de formación
representa agua atrapada durante los procesos de sedimentación. Muchas veces estas
aguas son saladas.
Se puede definir los diferentes tipos del agua del subsuelo en tal forma:
¾ El agua del subsuelo incluye todo el agua en el subterráneo en forma líquida o
gaseosa, es decir, el vapor de agua en el suelo, el agua capilar, la humedad del
suelo, el agua adhesivo y el agua freática.
¾ El agua vadosa se entiende como el agua capilar y la humedad de suelo.
¾ El agua subterránea (sinónimo: agua freática) es el agua que llena los vacíos
del suelo y de la roca completamente y que muestra movimientos que dependen
solo o casi solo de las fuerzas de gravitación y fricción. Los vacíos pueden ser
poros, grietas, fisuras o cuevas de distinto tamaño.
9.3.4 La "zona de aireación" ("agua vadosa")
Corresponde a una zona no saturada, tal parte del suelo en que una parte de los espacios
son ocupados por aire.
9.3.5 La "zona saturada"
Es tal parte del suelo, en que todos los poros y grietas están llenos de agua. El límite
entre las dos zonas es marcado por el "nivel freático".
Fig. 9.3 Agua en el subsuelo - Fuente (http://www.geolamb.co)
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DESCARGA DEL AGUA SUBTERRÁNEA 2
9.4
Siempre cuando el nivel freático (la superficie del agua subterránea) llega a la superficie
del terreno, se forma un manantial. Estos puntos de la descarga del agua subterránea
dependen de la situación geológica del lugar y producen varios tipos de manantiales.
El tipo más simple son manantiales tipo vertedero. El manantial se forma básicamente
por fuerzas gravitacionales. Este tipo de manantial casi siempre descarga agua, también
en períodos de sequía. En rocas estratificadas se observan frecuentemente horizontes de
descarga donde las manantiales son alineados, marcando el contacto entre rocas
permeables y no permeables.
Fig. 9.4 Esquema de manantiales tipo vertedero –
Fuente (http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiagenera/)
9.5
ACUÍFEROS POROSOS 3
Movimientos del agua subterránea son posibles solamente cuando existen vacíos
conectados entre sí en el suelo o la roca. Si no existen vacíos de cualquier tipo, o si los
vacíos existentes están aislados (como burbujas de gas en un basalto, por ejemplo) no se
producen movimientos del agua.
La clasificación de los acuíferos tiene en cuenta su génesis, y se puede realizar en base a
sus propiedades físicas o en base a criterios de rentabilidad (económicos).
9.5.1 Criterios de porosidad
En la clasificación de los acuíferos según al proceso de formación de la porosidad, se
distingue:
¾ Acuíferos porosos: donde la porosidad es primaria y resulta de los huecos que
quedan al sedimentar las rocas detríticas. Los poros representan el único tipo de
2
3
W.Griem & S.Griem-Klee: “Apuntes de Geología General”
Julio Torrez Navarro: “Apuntes de Geología general”
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vacíos que poseen las rocas no-consolidadas (suelos y sedimentos sueltos como
arena, grava etc.). Como poros se entiende los espacios libres entre las partículas
del suelo o de rocas sedimentarías clásticas.
¾ Acuíferos de fisura o grietas: donde la porosidad es secundaria y resulta de
procesos de fracturación y meteorización de rocas impermeables. Las grietas,
fracturas y diaclasas son los tipos de vacíos principales e importantes en todas las
rocas consolidadas (rocas sedimentarias como arenisca; rocas magmáticas o
metamórficas como granito, andesita, pizarra etc.) No obstante, las rocas
sedimentarías (como conglomerados y areniscas, por ejemplo) cuentan a veces
con una porosidad muy elevada. Algunas rocas volcánicas también pueden tener
un espacio poroso notable.
¾ Acuíferos kársticos: donde la porosidad es secundaria y resulta de procesos de
disolución de rocas solubles (en especial las calizas). Los vacíos tipos "karst" son
una forma especial de los vacíos de grietas en rocas solubles como caliza
(incluyendo espacios muy grandes como las cuevas).
Tabla de propiedades hidrogeológicas básicas de diferentes rocas, donde rocas sólidas
consolidadas (caliza, arenisca, granito, etc.) y rocas no-consolidadas como suelos y
depósitos cuaternarios).
Tabla 9.1 Propiedades hidrogeológicas de la rocas
Tipo de roca
Grava
Arena
Arcilla
Arenisca poco
cementada
Tipos de vacíos
poros
poros
poros
poros y fisuras
Porosidad
Elevada
Elevada
Elevada
Variable, gen.
Elevada
Permeabilidad
elevada
elevada
muy baja
generalmente
elevada
Variable, gen.
elevada
Variable, gen.
elevada
Caudal máximo
de manantiales
[l/min.]
3800
1000
<4
hasta 800
Caliza
poros, fisuras y
cavernas
muy variable
Roca Piroclástica
poco cementada
poros
Elevada
Basalto
poros, fisuras y
cavernas
Variable
Variable
Riolita
poros y fisuras
Variable, gen. baja
Variable, gen. baja
fisuras
muy baja (casi nulo)
muy baja
4 - 40 frecuente
fisuras
muy baja (casi nulo)
muy baja
< 40
Granito no
alterado
Gneis
1700 frecuente;
hasta 1.000.000
hasta 2400
entre 1700 y
3800 frecuente
entre 4 y 100
frecuente
Fuente: W.Griem & S.Griem-Klee : “ Apuntes de Geologia General”
(Los datos para el caudal máximo de manantiales son datos aproximados que indican el
rango del caudal posible. Estos datos no son aplicables a todos los casos particulares en
forma generalizada, pero dan una impresión de la cantidad de agua disponible
teóricamente en un terreno formado por la roca correspondiente).
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9.5.2
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Criterios físicos
Los criterios físicos tienen en cuenta fundamentalmente dos parámetros: la
transmisividad del subsuelo (que tiene en cuenta la permeabilidad y el espesor saturado
del acuífero) y la presión del agua en el seno del acuífero, o el grado de dependencia del
agua subterránea con el ciclo superficial.
9.5.2.1 Clasificación en función de la transmisividad (T)
Definida como el producto de la permeabilidad (k) por el espesor saturado del acuífero
(b), lleva a una subdivisión arbitraria en:
¾ Acuíferos.- Formación geológica capaz de almacenar y transmitir agua a los
pozos que la atraviesan, gracias a los espacios porosos que existen en su interior.
¾ Acuitardos.- Unidades geológicas que almacenan agua subterránea pero la dejan
pasar o ceden con dificultad (limos arenosos, limos, arenas arcillosas, etc.).
¾ Acuícludos.- Formaciones geológicas que solamente almacenan agua pero que
no la transmiten en cantidades significativas o no la dejan pasar (lutitas).
¾ Acuífugos.- Unidades geológicas que ni almacenan ni dejan pasar agua
subterránea (rocas ígneas o metamórficas inalteradas ni fracturadas).
Hay que tomar en cuenta, que un acuífugo no necesariamente es una roca
"impermeable".
Por ejemplo: Habitualmente una arcilla es considerada como un acuífugo, aunque no es
una roca absolutamente impermeable. También a través de la arcilla puede producirse un
flujo de agua subterránea pero un flujo extremadamente lento. En cambio, una
formación de sal de roca puede ser considerada como totalmente impermeable.
Si volvemos a pensar en los criterios económicos de clasificación, una unidad geológica
podrá ser considerada un acuífero para un usuario y podrá ser clasificada como un
acuitardo para otro. Dependerá en los caudales exigidos o simplemente en la
conformación geológica de la zona.
En formaciones sedimentarías muchas veces se observa que hay alternaciones de varios
estratos "permeables" y "impermeables", o sea, una alternación de diferentes acuíferos y
acuífugos. Cada uno de los acuíferos puede ser permanentemente o temporalmente lleno
o parcialmente lleno con agua subterránea.
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Fig. 9.5 Esquema de acuífero – acuífugo
Fuente (http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiagenera/)
Agua confinada es cuando en un acuífero el nivel freático no coincide con el nivel
piezométrico.
En el pozo I el nivel freático y el nivel piezométrico coinciden. En el pozo II los niveles
no coinciden; el nivel piezométrico se ubica en una altura más elevada que el nivel
freático, el agua subterránea esta "confinada" y va a subir dentro del pozo hasta que
alcanza el nivel piezométrico.
Sistema Artesiano, cuando el nivel piezométrico se ubica más alto que el superficie del
terreno, el agua sale de un manantial natural o de una perforación / un pozo artificial
hasta el superficie solamente por la presión (sin la necesidad de bombear el agua).
Fig. 9.6 Esquema de agua confinada - Fuente
(http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiagenera/)
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Fig. 9.7 Esquema de sistema artesiano - Fuente
(http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiagenera/)
9.5.2.2 Clasificación en función de la presión del agua
En el seno del acuífero los distingue en:
¾ Acuíferos Libres.- Son los que carecen de una capa sellante o confinante. El
nivel permeable está directamente en contacto con la atmósfera. La presión del
agua en el acuífero se iguala a la atmosférica por debajo del techo del mismo.
¾ Acuíferos Confinados.- Son aquellos que se encuentran en el subsuelo sellados
por una capa inferior y superior (el material sellante puede ser una arcilla). El
techo del acuífero es un acuícludo (impermeable). La presión del agua en el seno
del acuífero se estabiliza con la atmosférica por encima de su techo.
¾ Acuíferos Semiconfinados.- Es el caso más común. El techo del acuífero es un
acuitardo (semipermeable), y la presión del agua se estabiliza por encima de su
techo.
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Fig. 9.8 Clasificación de los acuíferos en función a la presión del agua – fuente (Centro
Regional de Ayuda Técnica (AID), Manual de los pozos pequeños)
El acuífero A, en la figura, puede ser semiconfinado o libre según posea o no un techo
semipermeable El pozo 2 y el pozo 3 interceptan y toman agua de ese acuífero. En el
caso del pozo 3 el nivel piezométrico se estabiliza por debajo del techo del acuífero que
es la superficie del terreno. En el pozo 2 el nivel piezométrico se estabiliza por encima
del techo del acuífero y existe virtualmente dentro del acuitardo.
El pozo 1 toma agua subterránea del acuífero confinado B, con piso y techo
impermeable formado por un acuicluído. La presión del agua en este acuífero está
indicada por el nivel piezométrico del pozo 1. Véase que si la perforación se hubiese
realizado más hacia el SE (en el bajo) hubiera sido surgente, ya que el nivel
piezométrico se estabilizaría con la presión atmosférica por encima de la cota del
terreno.
El agua subterránea es parte indivisible del ciclo hidrológico, y el proceso que
suministra agua subterránea a los acuíferos a partir de la lluvia o cursos superficiales se
denomina recarga. La recarga de los acuíferos libre se realiza por infiltración directa
desde su techo, la recarga de los acuíferos semiconfinados se realiza en aquellos lugares
donde es libre (carece de techo semipermeable) o a través del acuitardo superior con
flujo dominantemente vertical.
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Fig. 9.9 Proceso de recarga de los acuíferos – fuente (Centro Regional de Ayuda Técnica
(AID), Manual de los pozos pequeños)
La porción del acuífero comprendida entre su techo y el nivel piezométrico se denomina
zona vadosa. En esta zona los poros están ocupados preferentemente por aire y el
movimiento del agua es vertical. La zona del acuífero comprendida entre el nivel
piezométrico y su piso se llama zona saturada; aquí los poros están ocupados por agua y
el movimiento (si existe) es dominantemente horizontal según el gradiente hidráulico.
La relación entre los cursos de agua y los acuíferos puede variar según la estación del
año o el régimen de lluvias. Se distinguen dos condiciones:
¾ Cursos efluentes, que son soportados o alimentados por los acuíferos.
¾ Cursos influentes, que ceden parte del agua que acarrean a las capas permeables
del subsuelo.
El nivel piezométrico del acuífero refleja su relación con el curso superficial tal como
puede verse en la figura siguiente:
Fig. 9.10 Curso efluente – influente
Fuente (Centro Regional de Ayuda Técnica (AID), Manual de los pozos pequeños)
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Los conceptos volcados hasta el momento se han referido a acuíferos porosos o
sedimentarios, esto obedece a que las estructuras sedimentarias son relativamente
homogéneas en el momento de modelarlas e intentar representarlas matemáticamente, lo
que ha permitido estudiarlas a mucho más detalle que los acuíferos fisurados. Su
disposición horizontal, con base y techo más o menos horizontales y sin
discontinuidades importantes permite extrapolar resultados de estudios puntuales a toda
su área de existencia.
9.6
ACUÍFEROS DE FISURA
Los problemas de los acuíferos de fisura radican en la heterogeneidad que en la enorme
mayoría de los casos presentan. Es muy difícil introducir conceptos como el de
permeabilidad o transmisividad en mazos de fracturas, y mucho menos la compleja
formulación matemática que intenta describir el comportamiento del nivel piezométrico
en el momento de la explotación, que presupone condiciones de uniformismo e
invarianza de las condiciones de entorno que claramente no se cumplen en el caso de los
acuíferos de fisura.
El hecho más notable desde el punto de vista del agua subterránea de las rocas “duras”
(ígneas y metamórficas) es que carecen de porosidad. Dicho de otra manera, las rocas
“cristalinas” son impermeables, no almacenan ni conducen ningún tipo de fluido por sí
mismas.
La única manera de que el agua infiltre y se almacene en el seno de las rocas del
basamento cristalino es que éstas hayan adquirido algún tipo de porosidad secundaria
por fenómenos que ocurrieron posteriormente a su génesis. Existen dos fenómenos por
los que una roca particular sin porosidad primaria, adquiere porosidad secundaria y son:
la disolución y la fracturación.
En los primeros centenares de metros de la corteza terrestre las rocas “duras” tienen la
propiedad de comportarse como un rígido. Ello quiere decir que se fracturarán ante
esfuerzos que actúen sobre la porción del planeta en el que estén emplazadas. A lo largo
de la historia geológica han ocurrido una serie de eventos tectónicos dando lugar a un
conjunto de familias de fracturas y que eventualmente permiten la acumulación de agua
subterránea en los primeros metros desde la superficie.
La única manera de obtener agua subterránea en un terreno de rocas “duras” es ubicar
una perforación que intercepte una fractura. Por lo general las fracturas o fallas son
verticales a subverticales, por lo que la ubicación precisa de la perforación es crítica.
Todas las fracturas viabilizan en mayor o menor medida la circulación del agua
subterránea; por lo tanto también serán conductos para el desarrollo de la meteorización,
responsable de la destrucción de la roca original y neoformación de minerales estables
en condiciones superficiales. Los minerales estables en la superficie terrestre son por
excelencia las arcillas, que resultan del reacomodamiento de los elementos químicos que
forman a los minerales constituyentes de las rocas originales (ígneas y metamórficas).
Si las fracturas afectan rocas compuestas por minerales fácilmente meteorizables, la
fractura se verá sellada o taponada con las arcillas neoformadas. Por el contrario, si las
fracturas recortan a rocas compuestas por minerales poco alterables éstas permanecerán
limpias y abiertas, maximizándose el almacenamiento y la conducción del agua
subterránea.
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Para obtener agua subterránea en una región con subsuelo compuesto por rocas
cristalinas, basta con encontrar una fractura que corte a una roca con composición
mineralógica tal que la neoformación de arcillas sea mínima o inexistente.
Es necesario que las fracturas estén conectadas con el ciclo hidrológico para que puedan
recargarse con agua. Toda el agua subterránea proviene de la infiltración de la lluvia, y
para llegar desde la atmósfera al subsuelo deberá indefectiblemente atravesar el suelo.
Las propiedades químicas del suelo y las actividades que se desarrollen sobre él influirán
en la composición química y la calidad del agua que se infiltrará. El manto de alteración
de las rocas cristalinas en los primeros metros desde la superficie funciona como un
acuitardo que almacena el agua de lluvia y lentamente la conduce o infiltra a las
fracturas subyacentes.
Los lugares de la superficie terrestre en que el agua está durante mayor tiempo en
contacto con las fracturas que afecten el subsuelo son los cursos de agua superficial:
ríos, cañadas y arroyos. Por lo general en áreas de basamento cristalino los cursos
superficiales están en mayor o menor grado “controlados” por la red de fracturas del
subsuelo. Al estar las rocas duras fracturadas o rotas, a las cañadas, ríos y arroyos se les
vuelve más sencillo (desde el punto de vista energético) entallarse sobre las fracturas.
Esto tiene efectos beneficiosos sobre el agua subterránea, ya que en una red de fracturas
que condiciona a cursos superficiales, la recarga está maximizada.
Una vez que se logra identificar una red de fracturas que afecten rocas poco
meteorizables y con recarga asegurada es posible introducir el término Acuífero
Fisurado.
Fig. 9.11 Esquema de un acuífero figurado – fuente (Centro Regional de Ayuda Técnica (AID),
Manual de los pozos pequeños)
Cuando las fracturas están abiertas y limpias (afectan a rocas de composición ideal para
el almacenamiento de agua subterránea), y las condiciones de recarga están aseguradas
mediante interconexión con el sistema hídrico superficial, las probabilidades de obtener
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caudales satisfactorios en una obra de captación correctamente ubicada, diseñada y
construida son elevadas.
Hay una serie de conceptos que deben quedar claros respecto a los acuíferos de fisura:
¾ Es muy difícil establecer superficies piezométricas regionales.
¾ No es rentable perforar a más de 50 o 60 metros de profundidad en este tipo de
terrenos.
¾ Es muy difícil predecir el comportamiento del acuífero y de las obras que lo
intercepten.
¾ Los resultados de un estudio puntual no son extrapolables.
9.7
EXPLOTACIÓN 4
Explotación de agua subterránea implica el aprovechamiento racional del recurso natural
“renovable” agua.
El recurso agua subterránea debe ser prospectada y explorada, y su explotación debe
ceñirse a un diseño óptimo de la obra y una gestión adecuada que permita maximizar su
vida útil y minimizar el costo del agua extraída, todo esto sin afectar las propiedades
físicas del acuífero o las propiedades químicas del agua que contiene.
Se debe tener claro en el agua subterránea, la diferencia que existe entre el caudal que
extrae una obra de captación en particular y el caudal que es capaz de erogar el acuífero
en ese punto, manteniendo sus propiedades a través del tiempo.
La prospección y exploración del agua subterránea se basa en un sólido conocimiento
geológico, de las propiedades del agua en el seno de las rocas tanto estáticas como
dinámicas, y de los métodos indirectos de estudio del subsuelo (censores remotos o
geofísica).
La ubicación precisa (en un radio de decenas de metros) en un acuífero poroso es
irrelevante. Sabiendo que las unidades geológicas capaces de constituirse en un acuífero
poroso son las rocas sedimentarias, con disposición prácticamente horizontal, no existe
un lugar único y preciso donde perforar. Dependerá el lugar de parámetros económicos
(en una zona baja para perforar menos metros) o estratégicos (lejos de pozos negros o
desagües sanitarios, etc.).
En el caso de los acuíferos de fisura el sitio preciso de perforación es crítico. Las zonas
de fractura son prácticamente verticales, con espesores variables pero siempre varios
ordenes de magnitud menor que la longitud. Como ya se ha mencionado, la profundidad
a perforar no debe exceder los 50 a 60 metros.
Las obras de captación pueden ser de varios tipos, algunas convencionales (pozos
excavados, pozos perforados, cachimbas) o no convencionales (drenes horizontales,
pozos puntuales, zanja y colector, galerías filtrantes, etc.).
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Centro Regional de Ayuda Técnica Agencia para el Desarrollo Internacional (AID): “Manual
de los pozos pequeños”
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9.7.1 Los pozos excavados
Son de gran diámetro (por lo general 0.8 a 1.2 metros, pero pueden llegar a más de 3
metros) con paredes forradas con materiales permeables (piedras ladrillos y anillos de
cemento) donde el terreno es deleznable o pared desnuda si el terreno es autoportante. El
brocal en si es la construcción que se encuentra por encima de la superficie del terreno,
que aconsejablemente debería contar con una tapa de cierre prácticamente hermético. Se
perforan a mano, a fuerza de pala, pico y barreta.
El agua subterránea ingresa al pozo fundamentalmente por su piso. Eventualmente
podría infiltrarse por las paredes, pero el método de construcción no permite adentrarse
muchos metros en la zona saturada del acuífero. El constructor perfora el suelo y el
acuitardo sin que aparezca agua subterránea. En el momento que rompe el techo del
acuífero el agua ingresa a la perforación y asciende hasta alcanzar el nivel piezométrico
regional. Las alternativas son pocas: si el acuífero es de mala calidad (con baja
permeabilidad) se puede avanzar algunos metros dentro del nivel poroso, pero si el
acuífero es bueno y hay una elevada carga hidráulica el obrero tendrá que abandonar
rápidamente la obra y darla por finalizada.
La ventaja sustancial de este tipo de obras se aprecia cuando los acuíferos son pobres.
En ese caso, aunque la velocidad de entrada del agua al pozo es lenta, el almacenamiento
de la obra permite contar con un volumen considerable de agua que podrá ser
aprovechado cuando sea necesario.
Al volumen contenido dentro del pozo perforado se le denomina “volumen de
almacenamiento” y puede ser calculado sencillamente como el volumen de un cilindro.
9.7.2 Los pozos perforados a máquina
Se agrupan todas las perforaciones de pequeño diámetro (3” a 10”) realizados con
máquinas perforadoras manuales o mecánicas.
La mayoría de las perforaciones que se realizan en nuestro país tienen entre 4 y 8
pulgadas de diámetro (pueden llegar a 12 pulgadas en pozos industriales).
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Fig. 9.12 Esquema de un pozo perforado – fuente (Centro Regional de Ayuda Técnica (AID),
Manual de los pozos pequeños)
El encamisado se construye con cañería de PVC o hierro sin costura, atornillados o
soldados. El sello sanitario es parte indispensable de una perforación, se construye con
hormigón rico en materiales finos y su cometido es evitar la infiltración de aguas
superficiales plausibles de estar contaminadas.
Frente a las zonas de aporte de agua subterránea se ubican filtros de distinta naturaleza,
que permiten la entrada de agua al interior de la perforación. Por lo general en el fondo
de la perforación se dejan algunos metros de “ciego” para que se acumulen los
sedimentos que eventualmente entren arrastrados al pozo.
En el caso de los acuíferos sedimentarios entre el filtro y el acuífero se coloca el
prefiltro: se trata de una grava fina a media, bien seleccionada, redondeada y cuarzosa,
de granulometría específica que impide que las partículas de arena del acuífero lleguen
al filtro.
La herramienta de perforación puede ser un tricono en el caso de perforación por
rotación, o un martillo de fondo (DTH) en caso de rotopercusión. Cualquiera sea la
herramienta, por el interior de la columna de barras huecas circula un fluido (lodo en
caso del tricono y aire o espuma en caso del DTH) que tiene por cometido refrigerar y
arrastrar los trozos de roca o sedimento que están siendo perforados al exterior.
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La perforación por rotación con tricono y lodo es especialmente adecuado a terrenos
sedimentarios poco consolidados o rocas sedimentarias pobremente cementadas. La
perforación con martillo de fondo y aire comprimido es el método por excelencia para
rocas duras: basamento cristalino, basalto, rocas sedimentarias muy cementadas, etc. Las
velocidades de avance del martillo de fondo en rocas duras han permitido construir “su
pozo en el día” como muchas empresas de perforación lo aseguran en su propaganda.
Una vez que la operación de perforación ha culminado comienza la etapa de armado del
pozo. En esta etapa se determina el tipo de encamisado (PVC o hierro); el tipo,
ubicación y longitud de la zona filtrante; y la granulometría del prefiltro (si fuese
necesario).
A medida que progresa la operación de perforación se van tomando y describiendo las
muestras que salen por la boca del pozo (arrastradas por el fluido de perforación), se
controlan las velocidades de avance y la viscosidad del fluido. El estudio de estos
parámetros permite –junto con el conocimiento de la geología local y el perfilaje del
pozo determinar las zonas de aporte de agua subterránea donde deberán colocarse los
filtros.
La entrada de agua subterránea al interior del encamisado se realiza a través de la zona
filtrante. El diseño, longitud y tipo de filtro condicionará buena parte de la eficiencia de
la perforación. Las condiciones ideales establecen que la perforación debería atravesar
completamente acuífero y que la zona filtrante debería abarcar desde el piso al techo del
mismo (estas condiciones se denominan “pozo completo totalmente penetrante”).
Razones de costo obligan a recortar los metros de filtro, o a improvisarlos ranurando o
agujereando el encamisado, redundando en una significativa disminución de la eficiencia
de la obra.
Los filtros de mejor calidad se denominan “de ranura continua”, y se componen de un
hilo de alambre de acero o hierro galvanizado de sección trapezoidal que forma un
helicoide alrededor de una serie de alambres verticales que constituyen el esqueleto del
filtro.
Fig. 9.13 Rejilla de tipo de ranura continúa – fuente (Centro Regional de Ayuda Técnica (AID),
Manual de los pozos pequeños)
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Fig. 9.14 Esquema de la pared del acuífero – encamisado
Fuente (Centro Regional de Ayuda Técnica (AID), Manual de los pozos pequeños)
En los acuíferos porosos inconsolidados, es necesario colocar un prefiltro para evitar que
las partículas sedimentarias ingresen al pozo o tapen el filtro. El prefiltro es un paquete
de grava fina a media, cuya granulometría se determina a partir de las muestras extraídas
durante la operación de perforación. Una vez que el prefiltro está colocado, frente a los
filtros, se debe desarrollar. El desarrollo es una etapa imprescindible de la construcción
de la perforación que tiende a seleccionar granulométricamente el prefiltro, dejando las
fracciones más groseras pegadas a las ranuras del filtro y las más finas junto a la pared
del acuífero.
La terminación de la obra comprende la construcción del sello sanitario y el cierre
hermético en la boca del pozo.
El sello sanitario se diseña para cada perforación según las condiciones superficiales.
Por lo general incluye 1 a 3 metros de encamisado ciego desde la superficie donde el
espacio anular entre la pared del tubo y la pared del acuífero se llena con una mezcla de
bentonita, arcilla y cemento pórtland. La parte superior del sello sanitario incluye una
plataforma o dado cuadrado de hormigón de 1 metro de lado.
El objetivo del sello sanitario es evitar la entrada a la perforación de aguas superficiales
contaminadas. El diseño podrá variar sustancialmente si la obra se emplaza en un sitio
limpio (descampado) o junto a obras de saneamiento domiciliario (letrinas, pozos
negros), salidas de efluentes de tambos, chiqueros, playas de estacionamiento y lavado
de vehículos, etc.
La boca de la perforación debe mantenerse por encima del terreno circundante, cerrarse
herméticamente para evitar que entren animales o se tiren residuos en su interior. A
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veces se construyen tapas de hierro con una bisagra y candado y a veces se pegan tapas
de PVC con silicona.
En el momento en que una perforación se explota, el agua que está almacenada en el
acuífero entra al pozo por la zona filtrante. A medida que la bomba genera un descenso
del nivel piezométrico en el interior del pozo se forma un gradiente hidráulico centrado
en la perforación. Este gradiente obliga al agua subterránea a moverse con velocidades
progresivamente mayores a medida que se acerca a los filtros.
Eventualmente puede alcanzarse un equilibrio entre el caudal de agua subterránea que
entra a la perforación a través de los filtros y el caudal que eroga la bomba. En esas
condiciones el nivel piezométrico dentro de la perforación se estabiliza y se dice que se
ha alcanzado el “régimen permanente de explotación”.
Aparecen entonces una nueva terminología que se aplica a los niveles piezométricos
relacionada a la explotación:
¾ Nivel Estático (NE): Es el nivel piezométrico del agua en el acuífero antes de
comenzar la explotación (condiciones iniciales).
¾ Nivel Dinámico (ND): Es el nivel piezométrico del agua en el acuífero cuando
se alcanza el régimen permanente de explotación.
¾ Descenso (s): Es la diferencia entre los niveles dinámico y estático (s = ND –
NE).
Fig. 9.15 Niveles piezométricos – fuente (Centro Regional de Ayuda Técnica (AID), Manual de
los pozos pequeños)
El bombeo genera una depresión en la superficie piezométrica centrada en el pozo que
se llama “cono o embudo de descensos”. Si para un caudal específico se alcanza el
régimen permanente, a alguna distancia determinada del pozo los descensos serán
despreciables. Esa distancia se denomina “radio de influencia”. Si existiesen otros pozos
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dentro de la zona de influencia de una perforación que está siendo bombeada, los niveles
piezométricos descenderían hasta acomodarse al cono de descensos; a este efecto se le
suele conocer como “competencia” entre pozos o más específicamente “efecto de
interferencia”.
Un parámetro fundamental para gestionar una perforación semisurgente es el caudal
específico (qe). El caudal específico se define como el caudal erogado por metro de
descenso, y se calcula según la siguiente fórmula: qe = Q/s, donde Q es el caudal de
bombeo y s el descenso.
La determinación del caudal específico se realiza empíricamente mediante un bombeo a
caudal constante que usualmente se sitúa entre el 30% y el 50% del caudal máximo de la
bomba. Antes de comenzar el bombeo se controla el nivel estático y se lo registra
cuidadosamente, se inicia el bombeo y se controla periódicamente el nivel piezométrico
hasta que se alcance el nivel dinámico. Determinado los niveles estático y dinámico se
calcula el descenso y el caudal específico.
Conocido el caudal específico puede calcularse el caudal de bombeo para mantener el
nivel dinámico a una profundidad determinada. El descenso máximo permitido en una
perforación obedece a:
¾ La profundidad de succión de la bomba. No se debe dejar a la bomba
succionar aire, ya que pueden darse fenómenos de cavitación y destruir los
rotores o quemar la bomba.
¾ La profundidad del primer filtro. Si se deja un filtro al aire, el agua
subterránea en contacto con el aire precipita las sales que lleva disueltas,
favoreciendo la obstrucción de las ranuras que con el tiempo pueden sellarlas
completamente.
El último aspecto relacionado con la explotación del agua subterránea hace referencia al
manejo o gestión del recurso. Se debe evitar la sobreexplotación de la perforación y el
acuífero al sobredimensionar el caudal de bombeo o debido a la ausencia de un régimen
de bombeo que contemple la recuperación diaria del nivel estático.
Si una perforación se bombea a un caudal mayor al óptimo, puede no alcanzarse el
régimen permanente y los descensos alcanzar a los filtros o a la succión de la bomba. Si
este fenómeno se prolonga durante un lapso considerable se puede quemar la bomba u
obstruir los filtros, redundando en una disminución progresiva del caudal que el pozo es
capaz de brindar. El ciclo se retroalimenta negativamente: cuanto más obturados están
los filtros, menor es el caudal que puede entrar al pozo, menor es la eficiencia de la
perforación, y mayor es el descenso provocado a igual caudal de bombeo; lo que lleva a
dejar más filtros expuestos al aire, que se obturarán con sales, etc.
El régimen de bombeo determina las horas de bombeo diarias de una perforación
contemplando un período de recuperación. La recuperación es el fenómeno que se
produce una vez que cesa el bombeo y el nivel piezométrico asciende desde el nivel
dinámico al nivel estático. La superficie piezométrica que durante el bombeo tenía forma
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de embudo o cono vuelve a su posición original, y los poros de la roca que fueron
vaciados de agua durante la explotación se llenan de agua.
Si no se permite la recuperación durante lapsos prolongados, en los poros que antes
contenían agua comienza a precipitar sales, disminuyendo la porosidad y permeabilidad
del acuífero. Este fenómeno tiende a disminuir el caudal que el acuífero es capaz de
aportar a la perforación.
Un régimen de bombeo adecuado contempla al menos 6 horas de recuperación por día
(18 horas de bombeo), aunque el valor exacto del período de recuperación se determina
empíricamente al culminar un ensayo de bombeo.
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Referencias Bibliografía:
- J. L. Pulido Carrillo: “Hidrogeología Practica”, Bilbao – 1978, Primera Edición en Español.
- Centro Regional de Ayuda Técnica Agencia para el Desarrollo Internacional (AID): “Manual
de los pozos pequeños”, México/Buenos Aires 1969 - Primera Edición.
- Julio Torrez Navarro: “Apuntes de Geología general”, FCyT (Ingeniería Civil) – U.M.S.S
- W.Griem & S.Griem-Klee: “Apuntes de Geología General” Chile - (1999, 2003), Universidad
de Atacama.
Biblioteca virtual:
-
http://www.unesco.org.uy
http://www.geolamb.co
-
http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiagenera/
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