CAPTACIONES

SUBTERRANEAS

DISEÑO

DE

POZOS

CAPTACIONES DE AGUAS SUBTERRANEAS

EL CICLO HIDROLÓGICO

AGUAS SUBTERRANEAS

Las aguas subterráneas son una importante fuente de abastecimiento de agua potable y

prometen serlo aún más en el futuro, puesto que con el progresivo agotamiento de las aguas

superficiales y el desarrollo de nuevas técnicas de perforación, estas irán cubriendo, en un

porcentaje cada vez mayor, las necesidades humanas.

El origen de las aguas subterráneas es la infiltración en el terreno de las aguas de lluvia,

deshielo y corrientes superficiales. Históricamente se han barajado teorías con grandes

concomitancias míticas para explicar el origen de las aguas subterráneas, ya que se suponía

que las cantidades precipitadas eran insuficientes para abastecer los grandes caudales de las

aguas subterráneas. Sin embargo, hoy día se acepta sin reservas la teoría de que las aguas

subterráneas proceden de la infiltración (producida por la fuerza de la gravedad y las

fuerzas de atracción molecular) de las precipitaciones atmosféricas en cualquiera de sus

modalidades.

Así el suelo terrestre puede considerarse dividido en dos grandes partes:

• La zona de aireación en la cual las cavidades del terreno contienen agua, pero en

menor cantidad de su capacidad potencial. A su vez se subdivide en el manto

vegetal o zona superficial que está bajo la influencia directa de las plantas y sus

raíces y la zona restante, o manto capilar, también bajo una influencia de las plantas

aunque menos directa. En estas zonas predominan las fuerzas de atracción

molecular sobre las fuerzas de la gravedad.

• La zona de saturación o zona en la cual el agua se encuentra en cantidad muy

cercana a la capacidad potencial del terreno y donde las fuerzas predominantes son

de gravedad, esta agua es la llamada subterránea.

La separación entre ambas zonas se llama superficie de saturación o nivel freático.

Así pues, una partícula de agua, para llegar a ser subterránea debe atravesar la zona de

aireación, lo cual requiere que la cantidad de agua sea lo suficientemente grande como para

que predominen las fuerzas de gravedad sobre las fuerzas de atracción molecular. Así, si el

fenómeno generador es atmosférico este deberá tener una intensidad y una duración

suficiente para que el agua no se pierda en su totalidad en escorrentía superficial y

evapotranspiración. Si la zona de aireación esta seca y el agua de lluvia cae con poca

intensidad, esta agua se alojará primero en el manto vegetal y luego en el capilar; Si al

llegar a la zona de saturación cesa la lluvia, esta agua quedará para uso de las plantas y no

se habrá generado nueva agua subterránea.

La infiltración de las corrientes superficiales (ríos, lagos, etc.) se produce tan sólo en casos

concretos, en cuyo caso a esta corriente se le llama influente. Por el contrario, sí, como es el

caso más frecuente, la corriente superficial recibe aportación de las aguas subterráneas se la

denomina efluente.

Las aguas subterráneas se originan por la percolación de las aguas superficiales a través de

estratos permeables, llamados acuíferos.

Estos acuíferos pueden ser libres, cuando la presión del agua contenida en el, está a la

presión atmosférica. Y confinados, cuando el agua está contenida entre dos estratos

impermeables y está sometida a una presión mayor que la atmosférica.

TIPOS DE ACUIFEROS

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

ejemplo:

• Acuífero se le llama a aquella formación geológica que contiene agua y es capaz de trasmitirla, como, por ejemplo: un aluvión fluvial, gravas y arenas. Son en general

adecuados para situar una captación de agua en ellos.

• Acluido, por el contrario se define como aquella formación geológica que conteniendo agua en su interior, incluso hasta la saturación, no la trasmite y por

tanto no es posible su explotación, como por ejemplo las arcillas.

• Acuitardo se llama aquella formación geológica que conteniendo apreciables cantidades de agua las trasmiten muy lentamente, como por ejemplo unas arcillas

limosas o arenosas. Estas formaciones son inadecuadas para situar captaciones en

ellas, pero pueden jugar un papel muy importante en la recarga vertical de otros

acuíferos.

• Acuífugo es llamada aquella formación geológica que ni contienen agua ni la pueden trasmitir, como, por ejemplo, un macizo granítico no alterado.

Los acuíferos que se presentan con mayor frecuencia están formados por depósitos no

consolidados de materiales sueltos, tales corno arenas, gravas, mezclas de ambos, etc.

Debido, en general, a sus buenas condiciones de recarga y poca profundidad de su nivel

piezométrico, suelen dar buenos caudales de agua si se los explota convenientemente.

De entre las rocas sedimentarias consolidadas (que encierran el 95% de las aguas

subterráneas del planeta), la más importante es la caliza, estas rocas son de por si poco

permeables pero su disolución por el agua provoca el desarrollo de zonas permeables,

fenómeno conocido con el nombre de karstificación. Las aguas en su movimiento van

agrandando las grietas, diaclasas y fisuras, formando una auténtica red de canales y ríos

subterráneos gracias a la solubilidad de la caliza y a la acción del CO2 agresivo a las aguas.

Las areniscas cementadas son bastante impermeables debido al ligante que une los

materiales granulares y son, por tanto malos acuíferos; sin embargo, si la cementación es

parcial o ha desaparecido en parte, pueden ser objeto de explotación como acuíferos.

Las margas y arcillas, en cambio, deben considerarse corno acluidos y por tanto

inexplotables. Las rocas volcánicas presentan una gran variedad de posibilidades,

dependientes de sus características físicas y químicas, de las propias rocas y de la erupción

que las originó, edad, etc. Si son escoriaceas, con grandes intersticios, pueden constituir

excelentes acuíferos, por el contrario, si son densas y compactas como algunas riolitas y

basaltos, tendrá unas características hidrológicas muy pobres.

Finalmente en las rocas ígneas y metamórficas (granitos, dioritas, gabros, pizarras y

esquistos) las únicas posibilidades de dar buenos acuíferos residen en la zona alterada

superficial o en las regiones muy fracturadas por fallas y diaclasas, de todos modos

constituyen los peores acuíferos, en cuanto a rendimiento de caudal.

Los acuíferos pueden clasificarse atendiendo a varias de sus características. Las

clasificaciones principales que pueden establecerse son: atendiendo al estado energético del

agua o por la variación de la calidad de sus aguas.

De los primeros los:

• Acuíferos libres no confinados o freáticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre del agua que contienen, que está en contacto con el aire y por tanto a

presión atmosférica.

• Acuíferos cautivos confinados o a presión son aquellos en los que la superficie superior del agua se encuentra sometida a una presión superior a la atmosférica, por

ello durante la perforación de pozos en acuíferos de este tipo, al atravesar el techo

del mismo se observa un ascenso rápido del nivel del agua hasta establecerse en una

determinada posición o nivel piezométrico. Si el nivel piezométrico se sitúa por

encima de la boca del pozo, a esto último se le denomina surgente.

• Acuíferos semicautivos o semiconfinados, son aquellos en los que la pared superior o inferior no es totalmente impermeable, sino que se trata de un acuitardo,

es decir un material que permite la filtración del agua, pero de forma muy lenta, lo

que sirve de alimentación al acuífero principal. En realidad, se trata de un caso

particular del tipo anterior.

Tipos de acuíferos.

CARACTERISTICAS DE LOS ACUIFEROS

La propiedad de los acuíferos de contener agua, está afectada por los siguientes factores:

POROSIDAD

Es el conjunto de aberturas o intersticios que contienen las formas geológicas. Es una

medida del contenido de vacíos, con relación al volumen total.

100 x V

V = P

T

V

La porosidad varía de 0 al 50%, dependiendo del grado de compactación del material,

forma y arreglo de las partículas y estratificación granulométrica.

PERMEABILIDAD

La porosidad por si sola no define la existencia de un acuífero, es necesario que los poros

del estrato estén interconectados entre si para que permitan el flujo del agua.

Se define como el volumen de agua que pasa en la unidad de tiempo a través de una sección

de acuífero de área unitaria, cuando el gradiente hidráulico es unitario y la temperatura del

agua es de 15ºC. Depende de la forma y tamaño de las partículas, granulometría y

viscosidad del fluido. Se mide en m3/m2.día.

TRANSMISIBILIDAD

Es una medida de capacidad de un acuífero para conducir agua y se define como el

volumen de agua que pasa en la unidad de tiempo, a través de una franja vertical de

acuífero de ancho unitario extendida en todo el espesor saturado, cuando el gradiente

hidráulico es unitario y la temperatura del agua está a 15ºC.

RETENCION ESPECÍFICA

Se define como el volumen de agua que queda adherido al acuífero y que por medios

físicos no será posible recuperar, con relación al volumen total del material poroso

100×=T

RsV

VR

PRODUCCION ESPECÍFICA

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

volumen total del material poroso

100×=T

DS

V

VP

De lo anterior se deduce, que la porosidad es igual a la suma de la producción mas la retención específica

SS RPP +=

COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO

Es el volumen de agua drenado por área unitaria, cuando la presión unitaria desciende una

unidad.

Los valores característicos para acuíferos libres 0.02 ≤ S ≤ 0.20 y para los confinados 0.005 ≤ S ≤ 0.00005 m3 de agua por cada m3 de acuífero.

HIDRAULICA DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS METODO DE EQUILIBRIO

Al extraer el agua de un acuífero por medio de un pozo, el agua se acerca desde todas las

direcciones en forma radial, convergiendo hacia el pozo y el área de penetración, va

disminuyendo constantemente, formando un cono de depresión. De acuerdo con la Ley de Darcy, la velocidad del flujo en un medio poroso está dada por:

dx

dyKv =

La relación entre el abatimiento y la producción específica del pozo se obtiene por:

dx

dyKAQ =

PARA ACUÍFEROS LIBRES:

( )

( )202

1

0

1

0

1

2

0

2

1

2

2

hh

rr

QLn

K

rr

Ln

hhKQ

ydyKx

dxQ

dx

dyxyQ

−

=

−=

=

=

∫ ∫

π

π

π

π

PARA ACUÍFEROS CONFINADOS:

( )

( )202

1

0

1

0

1

01

2

2

2

2

hhm

rr

QLn

K

rr

Ln

hhKmQ

dyKmx

dxQ

dx

dymyQ

−

=

−=

=

=

∫ ∫

π

π

π

π

DISEÑO DE POZOS

Una vez conocidas las características de los acuíferos y las propiedades para su

aprovechamiento, es posible determinar los diámetros y las áreas de captación de los pozos.

DEFINICIONES Nivel estático: Es la distancia entre la superficie del terreno y el nivel de agua en el pozo no afectado por el bombeo.

Nivel de bombeo: Es la distancia entre la superficie y el nivel de agua en el pozo cuando se extrae el gasto requerido.

Abatimiento: Es la diferencia entre el nivel estático y el nivel de bombeo.

Capacidad específica: Es el gasto extraído relacionado con el abatimiento. Está dado en m3/m.s.

PERÍODO DE DISEÑO PARA LA CAPTACIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA

Nivel de complejidad del Sistema Periodo de diseño Bajo 15 años

Medio 15 años

Medio Alto 20 años

Alto 25 años

NÚMERO MÍNIMO DE POZOS PROFUNDOS 1. Para el nivel bajo de complejidad se permite la construcción de un único pozo. 2. Para los niveles medio y medio alto de complejidad debe contarse con un mínimo de

dos pozos más un pozo de redundancia. El número de pozos debe tener una capacidad

sumada igual al caudal de diseño. El pozo de redundancia debe tener una capacidad

igual a la de los demás.

3. Para el nivel alto de complejidad, debe tenerse un mínimo de dos pozos de operación normal con una capacidad sumada igual al caudal de diseño más las pérdidas en la

aducción y las necesidades en la planta de tratamiento. Debe colocarse un pozo de

reserva por cada 5 pozos de operación normal, con igual capacidad.

DIAMETRO DEL POZO

Relativamente el diámetro del pozo, tiene muy poca influencia en la extracción de un

mayor caudal. Esto se deduce de la relación de equilibrio en la que Q es proporcional al

inverso del logaritmo de los radios.

Para esta selección se recomiendan los siguientes valores

PROFUNDIDAD En la mayoría de los casos la perforación se hace hasta abarcar la profundidad total del

acuífero. Sin embargo, algunas veces el agua de los estratos inferiores es de mala calidad,

por lo cual en estos casos es conveniente sellar esta zona con un material impermeable,

adecuadamente compactado.

TIPOS DE POZOS

Dependiendo del tipo de acuífero, estos serán libres o confinados.

LONGITUD DE LA ZONA DE CAPTACION

Para los acuíferos confinados, se recomienda de un 70 a 80% del espesor del acuífero, con

lo que se logra captar el 90 al 95% de la producción total.

No conviene utilizar un acuífero libre de tal forma que el abatimiento sea mayor que 2/3 a

½ de su espesor, por lo tanto, la longitud de captación estará entre 1/3 a ½ del espesor del

acuífero.

AREA LIBRE DE CAPTACION

Con las limitaciones antes señaladas, el área de captación deberá se ajustada a la longitud

de captación, el diámetro de la rejilla y la abertura de la misma.

Las aberturas de la rejilla dependerán exclusivamente de la granulometría del acuífero,

tratando de que su diámetro sea mayor que el equivalente al tamaño del grano que retenga

el 40% del material del acuífero. Siempre y cuando el diámetro equivalente al 40% del

retenido sea mayor que 0.025 cms, el pozo no necesitará de empacadura de grava.

Para seleccionar el área de captación, se recomiendan velocidades de penetración de 3

cm/s.

DISEÑO DE REVESTIMIENTO DE GRAVA

La colocación del revestimiento de grava, depende del tamaño de los granos del material

que compone el acuífero. El diseño de la misma guarda relación entre el tamaño de la grava

y la abertura de la rejilla, de forma que retenga el paso de arena.

El método de la Universidad de Minnesota se fundamenta en el análisis granulométrico del

material de la formación acuífera. La curva granulométrica del material a utilizar como

revestimiento de grava, se traza a partir de las siguientes consideraciones:

• El tamaño de la empacadura de grava correspondiente al 70% del retenido, se

selecciona equivalente a 4 a 6 veces el tamaño del 70% del retenido del material de la

formación acuífera.

• El coeficiente de uniformidad se selecciona menor a 2.5.

• El tamaño efectivo de la grava (90% del retenido) corresponderá entre 9 y 12 veces el

de la arena.

• Se calcula el 40% del retenido, a partir del tamaño efectivo y el coeficiente de

uniformidad.

Se traza la curva de la grava a partir de los tres puntos definidos y se selecciona un rango de

variación entre un 8 a 10% por debajo y por arriba de la curva definida en el punto anterior

EMPAQUE DE GRAVA

En un pozo profundo, cuando la zona de captación esté ubicada en una formación de arena

fina, es necesaria la colocación de un empaque de grava ubicado entre la rejilla y el suelo.

Las especificaciones del empaque de grava deben cumplir con la norma AWWA A100

Si el tamaño correspondiente al 40% del material retenido en la formación acuífera es

superior a 25 mm, no será necesario el empaque de grava.

ESPESOR Y LOCALIZACIÓN DEL EMPAQUE DE GRAVA

El espesor del empaque debe estar entre 75 mm y 300 mm (3 y 12 pulgadas). El empaque

debe localizarse en el espacio anular adyacente a la rejilla y debe extenderse una longitud

mínima de 6 metros por encima de ella, a excepción de acuíferos muy superficiales

(someros).

GRANULOMETRÍA DEL EMPAQUE DE GRAVA

El tamaño del empaque de grava debe definirse dependiendo de el diámetro de la rejilla y

de la granulometría natural del acuífero teniendo en cuenta las siguientes disposiciones:

1. La rejilla debe retener el material del empaque y éste a su vez, debe retener el material de la formación.

2. Cuando el acuífero tenga una granulometría uniforme, el tamaño correspondiente al 50% de material que pasa en la curva granulométrica, D50, del empaque debe ser cuatro

veces el tamaño D50 del material de la formación acuífera.

3. Si la granulometría del acuífero es no uniforme, el tamaño D50 del empaque debe ser seis veces el tamaño D50 de la formación acuífera.

4. El coeficiente de uniformidad del empaque debe estar entre 1.7 y 2.5. La granulometría debe establecerse según la norma NTC 1522. (ASTM C136)

CALIDAD DEL MATERIAL

1. El material del empaque debe ser estable, tanto física como químicamente al agua. Se recomienda que el 60% del material sea redondeado y equiaxial.

2. La gravedad específica del material debe ser mayor que 2.5. 3. El material no debe contener hierro o manganeso en ninguna forma y no debe afectar la

calidad del agua del pozo.

DIÁMETRO DE REJILLAS

El diámetro de las rejillas debe ser adoptado para tener un área hueca de captación en la

rejilla suficientemente grande para poder bombear el caudal de extracción esperado en el

pozo, obteniendo una velocidad óptima según la permeabilidad del medio. En todo caso, el

diseñador debe conocer el área libre en función del diámetro y la apertura de la rejilla.

Además, deben tenerse en cuenta las siguientes restricciones:

1. El diámetro de la rejilla no podrá ser superior al diámetro de la camisa del pozo. 2. En caso de niveles de bombeo bajos, el diámetro de la rejilla debe estar fijado por el

diámetro de la tubería de succión de la bomba.

El diámetro mínimo será de 150 mm. En casos especiales, puede adoptarse un diámetro

menor a 150 mm, siempre y cuando el diseñador presente el estudio técnico y las memorias

de cálculo que justifiquen una reducción en el diámetro. En ningún caso, el diámetro del

pozo puede ser menor al diámetro del equipo de bombeo.

En pozos profundos con un nivel dinámico ubicado a una distancia no mayor a 10 metros

por debajo de la superficie del terreno, el diámetro de la tubería de revestimiento puede

reducirse desde la superficie del terreno hasta el límite que permita el diámetro de la

bomba. Por debajo de la máxima profundidad en la que se desee colocar la bomba, la

reducción del diámetro puede ser mayor.

LONGITUD Y UBICACIÓN DE REJILLAS

La longitud de la rejilla debe ser suficiente para bombear el caudal de extracción esperado

en el pozo, buscando siempre el menor abatimiento. Sin embargo, la longitud mínima de la

rejilla está dada por la ecuación

cc

dr

VA

QL

0054.0min =

Para determinar la longitud de la rejilla deben tenerse en cuenta las siguientes

disposiciones:

1. En el caso de un acuífero libre homogéneo, la longitud de la rejilla debe estar entre 1/3 y 1/2 del espesor del acuífero, y ésta debe instalarse en la parte inferior del acuífero.

2. En el caso de un acuífero libre no homogéneo, la longitud de la rejilla debe ser igual a la longitud del estrato más permeable, estrato en el cual debe colocarse la rejilla. La

ubicación de la rejilla debe ser simétrica en el estrato en el que se coloque.

3. En el caso de un acuífero confinado homogéneo, la longitud de la rejilla debe estar entre el 70% y el 80% del espesor del acuífero. La ubicación de la rejilla debe ser simétrica

en el estrato en el que se coloque.

4. En el caso de un acuífero confinado no homogéneo, la rejilla debe colocarse en el estrato más permeable, aprovechando la totalidad del estrato. La ubicación de la rejilla

debe ser simétrica en el estrato en el que se coloque.

5. No debe colocarse rejilla por encima del nivel dinámico de bombeo. MATERIAL DE LAS REJILLAS

El material de las rejillas debe ser de tal calidad que resista la presencia de películas

bacterianas, la corrosión por las sales y los minerales del agua y los correspondientes

esfuerzos mecánicos en la zona de captación. Además, debe resistir a las sustancias

químicas y elementos mecánicos utilizados en la limpieza y mantenimiento posteriores.

SELECCION DEL MATERIAL Y TIPO DE REJILLA

La obra de captación de un acuífero lo constituye la rejilla. Las condiciones agresivas del

agua y del suelo, son los que determinan el material del cual deberá fabricarse la rejilla. Los

factores que determinan esta selección son :

• La condición agresiva o incrustante del agua

• La presencia de bacterias agresivas

• Los esfuerzos a que estará sometida la rejilla, debido a la presión del suelo

• El tamaño y dureza de las partículas del suelo

MATERIAL DE LAS REJILLAS

Material Aleación Uso Monel 70% Níquel

30% Cobre

Aguas con altos contenidos

de sales y oxigeno disuelto.

Níquel 70% Cobre

30% Níquel

Igual que el anterior.

Everdur 96% Cobre

3% Silicón

1% Manganeso

Aguas duras, sales, hierro

disuelto.

Acero inoxidable 74% Acero

18% Cobre

8% Níquel

Sulfuro de hidrogeno,

oxigeno disuelto, CO2,

bacterias ferruginosas.

Latón 83% Cobre

15% Zinc

1% Silicón

Aguas duras, sales, hierro

disuelto.

Hierro galvanizado 94% Hierro

Doble galvanizado

Aguas no agresivas ni

incrustantes.

Acero 99.4% Hierro

0.2% Carbón

0.4% Manganeso

Igual que el anterior

TAMAÑO DE LA REJILLA

El U.S. Bureau of Reclamation, considera que la mejor abertura de la rejilla es la mayor que permita la estabilización de la grava. De acuerdo con esto, recomienda escoger la

abertura igual a la mitad de la malla correspondiente al 15% del retenido y seleccionar la

malla comercial inferior.

Cuando exista una capa de material fino sobre otro mas grueso en acuíferos no

homogéneos, debe prolongarse no menos de 60 cm la longitud de la rejilla correspondiente

al material mas fino, penetrando en el estrato mas grueso. En el caso de capas finas

colocadas sobre capas más gruesas, el cambio debe hacerse de tal manera que la abertura

mayor no sea mas del doble de la menor e incluir una transición no menor de 30 cm.

APERTURA DE REJILLAS

La apertura de las rejillas debe determinarse según la granulometría del acuífero, teniendo

en cuenta las siguientes especificaciones:

1. En el caso de un acuífero homogéneo que no requiera empaque de grava y con un coeficiente de uniformidad mayor que 6, la apertura debe ser de tal tamaño que retenga

entre el 30% y el 40% de la formación acuífera.

2. En el caso de un acuífero homogéneo que no requiera empaque de grava y con un coeficiente de uniformidad menor que 6, la apertura debe ser de tal tamaño que retenga

entre el 40% y el 50% de la formación acuífera.

3. En el caso de un acuífero no homogéneo, la apertura de la rejilla debe variarse según la granulometría a lo largo del acuífero. Si una capa de material fino aparece sobre un

material grueso, se recomienda prolongar 0.6 m en profundidad la rejilla del estrato

fino, penetrando en el estrato más grueso.

4. En los demás casos debe colocarse una apertura de rejillas igual a la mitad del tamaño correspondiente al 15% del material que pasa en la curva granulométrica, D15, de la

formación acuífera.

VELOCIDAD EN REJILLAS

La velocidad en las rejillas debe estar entre .03 m/s y 0.45 m/s. En caso de tener una

velocidad inferior por debajo de la mínima establecida, es recomendable disminuir el

diámetro de la rejilla.

PROFUNDIDAD DEL POZO

El pozo debe tener una profundidad suficiente para que el filtro penetre en la zona saturada,

cumpliendo con las siguientes especificaciones:

1. En acuíferos libres debe tenerse en cuenta el abatimiento del pozo durante el bombeo y la totalidad de la zona de captación debe estar por debajo del nivel dinámico calculado

para la operación con el caudal máximo posible.

2. En acuíferos confinados la zona de captación debe cubrir un 80% del espesor del acuífero, sin embargo, en acuíferos costeros donde se puede presentar problemas de

intrusión de la cuña marina, la profundidad del pozo puede ser inferior a 80%.

DISTANCIA ENTRE POZOS

La distancia entre pozos debe fijarse de tal manera que el rendimiento de toda la captación

sea suficiente para cumplir con el caudal de diseño. Para determinar la distancia mínima

deben tenerse en cuenta los siguientes puntos:

1. Debe calcularse el radio de influencia de un pozo y debe hacerse un análisis de interferencia entre todos los pozos del acuífero.

2. El abatimiento en un punto se tomará como la suma de las depresiones producidas en el mismo sitio por el bombeo individual de cada uno de los pozos.

3. En los niveles bajo y medio de complejidad la distancia mínima entre dos pozos será de 100 metros.

4. En los niveles medio alto y alto de complejidad la distancia entre pozos debe establecerse por medio de un análisis económico en la operación del sistema, teniendo

en cuenta el efecto del los posibles abatimientos, en los costos de extracción del agua.