COLOFON BOLETIN 123 Editores Hamil Uribe Cifuentes, Ingeniero Civil Agrícola Claudio Pérez Castillo, Ingeniero Agrónomo. Yukio Okuda, Ingeniero Agrónomo Director Regional INIA Hernán Acuña Pommiez Edición Hugo Rodríguez Alister Boletín INIA Nº 123 Este boletín fue editado por el Centro Regional de Investigación Quilamapu, Instituto de Investigaciones Agropecuarias. Ministerio de Agricultura. Permitida su reproducción total o parcial citando la fuente y los editores. Cita bibliográfica correcta Uribe C., Hamil; Pérez C., Claudio y Okuda, Yukio. 2004. Boletín Recursos Hídricos y Manejo del agua para un Desarrollo Sustentable del Secano. Instituto de Investigaciones Agropecuarias Boletín INIA Nº 123. Versión Digital. Diseño y Diagramación Prosistem Ltda. Cantidad de ejemplares: 200. Chillán, 2004 Nota: Se agradece a la Agencia de Cooperación Internacional del Japón (JICA) por el financiamiento de la presente obra.

ÍNDICE BOLETÍN Nº 123

RECURSOS HÍDRICOS Y MANEJO DEL AGUA PARA UN DESARROLLO SUSTENTABLE DEL SECANO

PRÓLOGO CAPÍTULO 1:........................................................................................... ESCORRENTÍA SUPERFICIAL. CAPÍTULO 2:....................................................EVALUACIÓN DE PRÁCTICA DE CONSERVACIÓN DE

SUELO EN LA ESCORRENTÍA DE CUENCAS DEL SECANO INTERIOR DE CHILE.

CAPÍTULO 3:.......................................................................... PEQUEÑAS OBRAS DE ACUMULACIÓN. CAPÍTULO 4:..............RECARGAS DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS EN EL SECANO DE NINHUE. CAPÍTULO 5:.........................ESTUDIO DE DISPONIBILIDAD DE AGUAS SUBTERRÁNEAS A NIVEL

DE LA CUENCA DE SAN JOSÉ, NINHUE. CAPÍTULO 6:...........................................ESTIMACIÓN DEL RENDIMIENTO DE POZOS NORIA EN EL

SECANO INTERIOR, COMUNA DE NINHUE. CAPÍTULO 7:...............................EVALUACIÓN DE TRES PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN SOBRE

LOS NIVELES DE HUMEDAD DE PERFIL DEL SUELO.

CAPÍTULO 8:..... AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIOS GEOFÍSICOS. CAPÍTULO 9:............................... AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIO

DE NIVELES FREÁTICOS EN POZOS. CAPÍTULO 10:.........................ESTUDIO DE LA CONTAMINACIÓN DE AGUA DE POZO DESTINADA

A CONSUMO HUMANO, EN EL ÁREA DE ESTUDIO DEL PROYECTO CADEPA, SECTOR SAN JOSÉ, COMUNA DE NINHUE, VIII REGIÓN.

CAPÍTULO 11:............................................ENERGÍAS RENOVABLES PARA EL BOMBEO DE AGUA. CAPÍTULO 12:........................ EL CLIMA EN EL ÁREA AGROECOLÓGICA DEL SECANO INTERIOR.

PROLOGO

Los recursos hídricos constituyen un elemento de vital importancia para el

desarrollo de la actividad productiva del país. Esto es particularmente cierto en la

caso del Secano Costero e Interior de Chile Central debido a que la actividad

silvoagropecuaria debe amoldarse al ciclo de las precipitaciones al no contar con

fuentes de agua e infraestructura de riego capaz de suplir la demanda por agua

en el período estival.

Por tal motivo, uno de los principales objetivos del proyecto Conservación del

Medio Ambiente y Desarrollo Rural Participativo del Secano Mediterráneo de

Chile (CADEPA) ha sido el evaluar las fuentes de agua existentes en el Sector

de San José de la comuna de Ninhue, así como el determinar otras fuentes

potenciales.

El presente Boletín titulado “Recursos Hídricos y Manejo del Agua para un

Desarrollo Sustentable del Secano”, contiene 12 capítulos que resumen cinco

años de actividades relacionadas al tema. Muchos han sido los profesionales de

Universidades chilenas y del INIA que han trabajado en el tema, pero creo que

es justo reconocer a algunos extranjeros, como Koki Ota y Yukio Okuda de la

Agencia de Cooperación Internacional del Japón (JICA), así como a John Selker

y David Rupp de la Universidad de Oregon (USA) por sus importante aportes

para la obtención de los resultados que se resumen en este boletín.

Los temas tratados son: la escorrentía superficial, evaluación de prácticas de

conservación de suelo, factibilidad de pequeñas obras de acumulación, estudio

de recarga de las aguas subterráneas, estudio de disponibilidad de aguas

subterráneas, estimación del rendimiento de pozos noria, evaluación de tres

prácticas de conservación sobre los niveles de humedad del perfil del suelo,

estudios geofísicos de aguas subterráneas y de los niveles freáticos en rocas

fracturadas, estudio de la contaminación en agua de pozo destinada a consumo

humano, energías renovables para el bombeo de agua y finalmente el clima en

el área agroecológica del secano interior.

Esperamos que los antecedentes presentados en este boletín sirvan a

profesionales, productores, estudiantes y a las autoridades de planificación para

comprender mejor a este amplio sector de la agricultura nacional.

Claudio Pérez Castillo

Administrador Proyecto CADEPA

CAPÍTULO 1

LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL EN CUENCAS DEL SECANO INTERIOR

Autores:

Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS

Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©

David E. Rupp, Forestry MSc.

Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola

Consultor Técnico:

José Luis Arumi R., Ing. Civil, PhD.

LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL EN CUENCAS DEL SECANO INTERIOR 1.1. INTRODUCCIÓN Las condiciones particulares de topografía, tipo de suelo, nivel de degradación,

intensidad y distribución de las lluvias, son algunos de los factores que determinan el

comportamiento de la escorrentía superficial en el secano Interior.

Los altos niveles de degradación de suelo, junto a suelos de origen granítico, con

presencia de arcillas expansivas, determinan una mínima capacidad de infiltración,

sobre todo en condiciones de saturación. Esto provoca que en temporadas de invierno,

cuando ocurre un evento de precipitación y el suelo se encuentra saturado, por lo que

casi la totalidad del agua escurre hacia los esteros.

Relacionado con lo anterior está la intensidad y distribución de las precipitaciones,

puesto que un mismo evento de lluvia, si ocurre horas o pocos días después de lluvias

anteriores, encuentra el suelo saturado y va a producir una escorrentía alta en relación

a aquella producida si no hubo lluvias durante los días previos y el suelo se encuentra

seco, pudiendo absorber parte del agua.

Los estudios de escorrentía superficial realizados en el marco del proyecto CADEPA, si

bien llevan pocos años para realizar análisis estadísticos completos, permiten hacer

análisis cuantitativos y cualitativos para dimensionar la importancia de los recursos

hídricos superficiales, como también la relevancia del adecuado manejo del suelo en el

Secano.

1.2. METODOLOGÍA

En el área del Sector San José para la realización de los estudios se han seleccionado

tres cuencas representativas con superficies de 15, 42 y 725 ha. En la Figura 1.1. se

presentan las tres microcuencas y en la Figura 1.2. los puntos de medición de

escorrentía y puntos de medición de precipitación.

Sub-cuenca 1Sub-cuenca 2Sub-cuenca 3Cuenca San JoseRed DrenajeEstero Santa RosaRio LonquenEstero San Jose

0.5 0 0.5 1 kilómetros

N

725094 m E

720777 m E

5970020 m N

5966207 m N

Figura 1.1. Ubicación de las tres cuencas seleccionadas para el estudio.

718000

718000

719000

719000

720000

720000

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721000

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722000

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723000

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724000

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725000

5966

000 5966000

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000 5967000

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000 5968000

5969

000 5969000

5970

000 5970000

5971

000 5971000

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N

(X (X

(XSub-cuenca 1Sub-cuenca 2Cuenca San JoseRed DrenajeEstero Santa RosaEstero San Jose

# Pozos

Punto de AforoPluviometro

Figura 1.2. Ubicación de puntos de medición de escorrentía y precipitación en el área de estudio.

La escorrentía de las cuencas es principalmente de origen pluvial con escasos aportes

de aguas subterráneas. Los cauces en estudio son afluentes del estero San José, el

cual es afluente del estero Santa Rosa, ambos pertenecen a la cuenca del río Lonquén.

En el Cuadro 1.1. se entrega una caracterización física de las microcuencas en estudio.

Cuadro 1.1. Caracterización de las microcuencas sector San José.

Características

Unidad Microcuenca

Nº 1

Microcuenca

Nº 2

Microcuenca

Nº 3

Área ha 725 42 15

Perímetro km 14,29 3,33 1,673

Elevación mínima m 55 57,5 95

Elevación máxima m 230 137,5 144,69

Longitud del cauce

principal

km 2,84 1,26 0,53

Pendiente del cauce

principal

M/m 0,0193 0,0535 0,056

1.2.1. Estructuras y equipos de medición

Los cauces en estudio no disponen de estaciones fluviométricas por lo que fue

necesario la construcción de estructuras de aforo capaces de medir la escorrentía

superficial que escurre de las cuencas. Para cada cuenca se seleccionó una estructura

de aforo dependiendo de sus características físicas e hidrológicas.

1.2.1.1. Canoa Santa Rita

Esta obra, debido a su envergadura está construida en hormigón armado y está

ubicada en la cuenca de 725 ha. (Figura 1.3.). La descarga que ocurre en esta

estructura se establece mediante la siguiente expresión la cual relaciona la altura de

escurrimiento en el centro de la canoa (H) y el caudal (Q) que escurre a través de la

sección.

Así:

HHHHHQ ×+×+×+×−×= 01,065,33,6579,34963,812 2343 ; Para H < 0,2 m.

y

395,07,241,5 2 −×+×= HHQ ; H>0,2 m.

Donde:

Q = Caudal en (m3/s).

H = Altura de escurrimiento (m).

Figura 1.3. Canoa Santa Rita para aforo en microcuenca (725 ha).

1.2.1.2. Ducto circular El caudal que es capaz de transportar un ducto de forma circular (Figura 1.4.) está dado

por la ecuación de Manning, la cual relaciona la geometría de la sección de

escurrimiento, la pendiente y la rugosidad de las paredes con la descarga de la sección.

Así, el caudal queda definido mediante la siguiente expresión:

32

RhAniQ ××=

Donde:

Q = Caudal que se transporta (m3/s).

i = Pendiente del canal (m/m).

A = Área de la sección de escurrimiento (m2).

Rh = Radio hidráulico de la sección de escurrimiento (m)

n = Coeficiente de rugosidad de Manning.

El coeficiente de rugosidad de Manning depende del material con el que están

construidas las paredes del ducto y del estado en que este se encuentre, valor definido

igual a 0,012 para el caso de ductos de hormigón comprimido.

Figura 1.4. Tubo de Aforo para microcuenca de tamaño medio (41,6 ha).

1.2.1.3. Canoa Fondo Plano

La Canoa Fondo Plano (Figura 1.5.) se basa en el principio hidráulico del flujo crítico,

que ocurre en una sección de control, la relación que existe entre la profundidad de

agua y la descarga es independiente de otros factores no controlables que influyen en

el flujo tales como la rugosidad del cauce.

Así, en los aforadores de flujo crítico como el que se describe, la profundidad crítica se

forma al contraerse la sección del flujo por las paredes divergentes del medidor. El

aforador puede operar en condiciones de flujo libre o bajo condiciones de flujo

sumergido.

Bajo condiciones de flujo libre la profundidad crítica ocurre en la cercanía de la garganta

de la canoa. El caudal no es afectado por las variaciones que puedan ocurrir aguas

debajo de la garganta, de manera que la descarga se pueda determinar simplemente

indicando la profundidad de aguas arriba, en el aforador.

El caudal se puede estimar mediante la siguiente fórmula:

( )nhaCQ ×=

Donde:

Q = descarga en m3/s.

ha = profundidad del flujo aguas arriba.

n = exponente de flujo libre.

C = coeficiente de flujo libre.

El valor del exponente “n” depende únicamente de la longitud L. Por el contrario, el

valor del coeficiente de flujo libre C, depende tanto de la longitud L, del aforador como

de la amplitud de su garganta W.

025,1WKC ×=

Donde K es el coeficiente de longitud de aforador para flujo libre.

Figura 1.5. Canoa de Fondo plano utilizada para medir caudal en mínima

microcuenca pequeña (15 ha).

Estas estructuras de medición están provistas de sensores de presión y loggers que

permiten almacenar datos y definir la frecuencia de muestreo. Los sensores utilizados

son tipo DIVER, (Figura 1.6.).

Figura 1.6. Sensor de presión conectado a un computador para extraer la información.

1.2.2. Mediciones de precipitación Para la medición de precipitación en los tres puntos seleccionados (Figura 1.2.) se

están utilizando pluviómetros con dataloggers que permiten almacenar datos y

extraerlos con computador. El tipo de logger utilizado es un Hobo (Figura 1.7.).

Figura 1.7. Pluviógrafo utilizado en los tres puntos de medición de precipitación.

Además, a partir del año 2001 se instaló una estación meteorológica automática

Campbell CR23X.

1.3. RESULTADOS

1.3.1. Comportamiento estacional de las aguas superficiales en cuencas del secano

Las aguas superficiales que escurren por los esteros o ríos en la zona del estudio

presentaron un comportamiento estacionalmente intermitente, es decir, los cursos de

agua se secan durante el verano, o si existe algún escurrimiento, es mínimo.

Las lluvias se concentran durante los meses de invierno. En años en que la lluvia anual

acumulada fue mayor a 600 mm la escorrentía comenzó luego de 100 mm de

precipitación, sin embargo este valor puede ser algo mayor en temporadas poco

lluviosas como el año 2003 (Figura 1.8.). Este comportamiento es concordante con la

información de cuencas de mayor tamaño como la del río Lonquén.

42

401

0

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100

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300

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400

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02

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03

mar

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-03

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03

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03

oct-0

3

nov-

03

ene-

04

mar

-04

Meses

Lám

ina

Acu

mul

ada

(mm

)

E P

Figura 1.8. Precipitación y Escorrentía Superficial medida en la Micro cuenca 3.

Durante las temporadas 2001 a 2003 la escorrentía anual resultó muy dependiente de

las lluvias anules, variando entre 10% en años secos, hasta más de 50% en años

lluviosos (Figura 1.9.).

Precipitación y Escorrentía

0200400600800

1000

2001 2002 2003Lám

ina

Anua

l (m

m)

PPESC

Figura 1.9. Precipitaciones y Escorrentía anuales medidas en la micro cuenca 1.

Los análisis de los datos mensuales indicaron que en temporadas lluviosas, y en meses

de alta intensidad de precipitaciones, casi la totalidad de la lluvia alcanzó los esteros y

se perdió como escorrentía superficial (Figura 1.10.). Además se puede notar que los

primeros meses lluviosos encontraron el suelo no saturado, con capacidad para retener

parte del agua lluvia, por lo que escurrió solo una parte de ella. Por otro lado, en meses

de fines de invierno, cuando el suelo ya se encontraba saturado, se observó que casi la

totalidad de la lluvia alcanzó los esteros. Esto significa que los caudales instantáneos

pueden ser muy altos.

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2

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02

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03

Meses

Lam

ina

(mm

/mes

)

ETo P E

Figura 1.10. Información mensual de Precipitación (P), escorrentía Superficial (E) y Evapotranspiración potencial (ETo) en la micro cuenca 1, para la temporada 2002. En años poco lluviosos la escorrentía superficial puede ser baja, del orden de 30 a 40

mm por año, y además representó cerca del 10% de la lluvia. En este caso el suelo se

mantuvo con niveles de humedad menores que años lluviosos, lo que explica que

incluso durante los meses de mayores precipitaciones, el porcentaje del agua lluvia que

alcanzó los esteros fue poca.

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ene-

03

ene-

03

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-03

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-03

may

-03

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3

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3

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03

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03

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04

Meses

Lám

ina

(mm

/mes

)

ETo P E

Figura 1.11. Información mensual de Precipitación (P), Escorrentía Superficial (E) y Evapotranspiración Potencial (ETo) en la micro cuenca 1, para la temporada 2003. 1.3.2. Cuantificación de las aguas superficiales y sus limitaciones

Como se mencionó anteriormente, solo un porcentaje de la lluvia se trasforma en

escorrentía superficial, la cual podría eventualmente ser acumulada en embalses.

Considerando la información de precipitación de la Estación Coelemu, con más de 40

años de datos, se pudo realizar un análisis de probabilidad. El escurrimiento medido en

cuencas pequeñas para un año de poca lluvia (400 mm), como el 2003, fue de 40 mm

aproximadamente. La probabilidad de tener lluvias mayores que ésta es mayor a 95%,

es decir una vez en 20 años podría haber menos de 400 mm, o dicho de otra forma,

cada 20 años podía haber menos de 40 mm de escurrimiento.

Con un escurrimiento superficial anual de 40 mm se podrían juntar 2000 m3 de agua en

una cuenca de solo 5 ha y 4000 en una de 10 ha. En una cuenca de 50 ha se podría

embalsar alrededor de 20.000 m3. De esta manera se asegura que la disponibilidad de

agua para llenar embales pequeños no es una limitante. Sin embargo existen otras

dificultades asociadas a estas obras que se detallarán más adelante.

Al hacer un análisis diario, horario, o incluso cada 5 ó 10 minutos se puede apreciar el

comportamiento de la escorrentía (Figura 1.12.). Es importante señalar que tal como a

nivel estacional se produce una intermitencia (verano sin flujo de agua e invierno con

escorrentía), esto también ocurre si se considera una escala temporal menor. Es decir,

durante la época de invierno los eventos de lluvia son seguidos por crecidas de los

esteros, las cuales en pocas horas decrecen para alcanzar un nivel mínimo, esto se

denomina caudal base. Al comparar el escurrimiento superficial anual que ocurre en las

crecidas con el que ocurre en forma de caudal base, se observó que sobre el 80% de

agua escurre durante las crecidas y sólo el 20% corresponde al caudal base.

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03

Meses

Esco

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tía (m

m/d

ía)

Figura 1.12. Comportamiento diario de la escorrentía superficial medido en la micro cuenca 1.

Esto constituye un problema para la construcción de los vertederos de los embalses,

que deben ser capaces de evacuar grandes caudales instantáneos, lo que significa un

aumento en el costo de los embalses pequeños. Así, como para asegurar un mínimo

de agua para llenar los embalses debemos centrarnos en los años poco lluviosos, en el

caso del caudal de diseño para los vertederos el problema son los años más lluviosos.

Además de eso hay una gran influencia de la distribución de las precipitaciones en los

eventos. Durante los años en que se han realizado las mediciones no se han registrado

altos niveles de lluvia. El año 2002 se cuantificaron alrededor de 900 mm, lo que

equivale a una probabilidad de 50%, es decir cada 2 años podría haber más lluvia que

ésta, por lo tanto, aún no hay datos confiables para estimar caudales máximos para las

condiciones del secano de Ninhue. Los datos obtenidos indicaron caudales de mas de

20 m3/s en un cuenca de 725 ha y de 0.27 m3/s en una cuenca de 15 ha, ambos

durante el año 2002. Análisis mediante transposición de información entre cuencas,

usando el Método Racional dieron como resultado 0.2 m3/s de escorrentía superficial de

diseño de un vertedero para una cuenca de 10 ha aproximadamente.

Otro problema para la construcción de embalses pequeños en el secano es la

topografía del área, es difícil encontrar lugares topográficamente apropiados que tengan

una zona de acumulación de agua suficiente y una garganta estrecha para construir un

muro económicamente rentable.

1.4. CONCLUSIONES

En el área del secano de Ninhue existe disponibilidad de aguas superficiales, sin

embargo se concentran en invierno obligando a la construcción de embalses si se

pretenden usar con fines de riego.

El principal problema no es la disponibilidad en si misma, sino la distribución de las

lluvias que hace que los esteros presenten grandes crecidas, haciendo necesaria la

construcción de vertederos con dimensiones considerables. Esto implica altos costos.

Un obstáculo importante es que la topografía de la zona estudiada no permite la

construcción de embalses con relaciones volumen acumulado/volumen muro altas.

1.5. BIBLIOGRAFÍA

Comisión Nacional de Riego y CIREN-CORFO. 1997. Lámina 8. Cartografía de la evapotranspiración potencial en Chile. Chile.

Jara, J. y A. Valenzuela, 1998. Necesidades de Agua de los Cultivos. 26 p. Boletín

Comisión Nacional de Riego, Universidad de Concepción, 1998. Chillán Chile. Maidment, D. R., 1993. Handbooks of Hydrology. McGraw-Hill, USA Millar, Agustín. 1993. Manejo de Agua y Producción Agrícola. 556 p. IICA y Universidad

de Concepción, Chile. Pozo l., A del; Canto S., P del. 1999. Áreas Agroclimáticas y sistemas productivos en la

7 y 8 regiones. 116 p. Serie Quilamapu no.113. Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán, Chile.

Selker, J.; D. Rupp; M. Leñam; H. Uribe, 2000. Estudio Hidrológico en el Secano

Interior. Resultados Preliminares del Proyecto Piloto en Portezuelo. Informe Técnico de Riego. 41 p. Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán Chile.

Smith R. E., D. L. Chery, Jr., K. G. Renard, and W. R. Gwinn, 1982. Supercritical

Flumes For Measuring Sediment-Laden Flow, Tech. Bul. Nº 1655, USDA. Valenzuela, A., C. Crisóstomo, A. Alfaro y J. Quezada, 1997. Canoa Aforadora de

Fondo Plano, Boletín, 53. 23 p. Facultad de Ingeniería Agrícola, U. de Concepción, Chillán Chile

CAPÍTULO 2

EVALUACIÓN DE PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN DE SUELO EN LA ESCORRENTÍA DE CUENCAS DEL SECANO INTERIOR DE CHILE

AUTORES:

Octavio Lagos. Ing. Civil Agrícola Ms © .

Hamil Uribe. Ing. Civil Agrícola Ms.

Yukio Okuda. Ing. Civil Agrícola.

CONSULTORES TÉCNICOS:

John Selker. Agricultural Eng. MSc. PhD.

David Rupp. Forestry MSc.

Jose Luis Arumí. Ing. Civil PhD.

EVALUACIÓN DE PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN DE SUELO EN LA

ESCORRENTÍA DE CUENCAS DEL SECANO INTERIOR DE CHILE 2.1. INTRODUCCIÓN

El secano interior de Chile es una extensa zona ubicada en la vertiente oriental de la

cordillera de la costa, ocupa una superficie de 1.6 millones de hectáreas, de las cuales

15% son aptas para cultivos. La topografía predominante es ondulada, en la cual se

distinguen dos tipos de paisajes, las lomas y los llanos (Del Pozo, 1999).

Una de las principales limitantes para el desarrollo del área es la escasez de los

recursos hídricos en aquellos períodos donde la demanda es máxima. Las cuencas que

pertenecen a esta zona presentan una alta pluviometría concentrada en los meses de

invierno, con un severo período de sequía estival.

Las escorrentías superficiales también son concentradas, los caudales de los esteros

crecen y caen rápidamente (con cambios de 100% de flujo en menos de una hora),

arrastrando sedimentos con un gran rango de tamaños. Esto señala la importancia de

medir intensidad de lluvia para poder explicar el hidrograma de los cauces (Selker et al.,

2000).

El objetivo principal de los sistemas de manejo conservacionista de suelos y aguas, es

incrementar o por lo menos mantener la productividad de la tierra, deteniendo o

revirtiendo los procesos de degradación que las afectan. Esta productividad dependerá

en gran parte de las condiciones físicas, químicas y biológicas del perfil del suelo donde

crecen los sistemas radiculares.

Uno de los factores principales que limitan los rendimientos de los cultivos son las

condiciones deficitarias y la gran variabilidad de la humedad en el perfil del suelo. Las

probabilidades de falta de agua para el crecimiento del cultivo aumentan cuando

disminuye la velocidad, y volumen de infiltración de agua en el suelo por lo que el

desarrollo radicular es escaso y poco profundo.

Las prácticas de manejo de suelos, aguas y cultivos, en especial las labranzas están

orientadas a mantener y mejorar las condiciones físicas, químicas y biológicas de los

suelos. Ello permitirá proteger la superficie del suelo del impacto de las gotas de lluvia,

aumentar la infiltración de agua en el perfil, mantener un ambiente favorable para la

penetración y desarrollo radicular, y también reducir los volúmenes de escorrentía y

erosión.

El secano Interior tiene los suelos más erosionados y menos productivos de la región

centro sur de Chile como consecuencia de las prácticas de manejo y laboreo poco

cuidadosas a que han sido sometidos por muchos años (Mellado, 1992). Por esta razón

se han propuesto distintas prácticas de conservación de suelo destinadas a mejorar los

niveles de degradación en estas zonas.

El objetivo general del presente trabajo es evaluar el efecto de las prácticas de

conservación de suelo sobre la escorrentía en cuencas del secano Interior de Chile,

específicamente comparar prácticas actuales de conservación de suelos con prácticas

tradicionales y evaluar el efecto de las prácticas en los hidrogramas de descarga y en el

arrastre de sedimentos.

2.2. ÁREA DE ESTUDIO El área de estudio se encuentra ubicada en el secano Interior de Chile en las

coordenadas 36º27’ de Latitud Sur y 72º32’ de Longitud Oeste, a una altitud entre los

30–230 m sobre el nivel del mar, específicamente en el sector San José de la comuna

de Ninhue, VIII Región (Figura 2.1.).

Se seleccionaron dos sub-cuencas del estero San José con diferentes manejos de

suelo con el objeto de evaluar su efecto sobre la escorrentía superficial.

San José

Figura 2.1. Ubicación del área de estudio, San José.

2.2.1. Clima

El clima del área corresponde a mediterráneo marino, la precipitación anual promedio

fluctúa entre 640-1100 mm pero con un rango de variación entre años muy amplia (Del

Pozo, 1999).

El 80% del agua precipita entre marzo y agosto, y solo el 15% ocurre entre el período

septiembre a noviembre. Esto determina que el agua disponible para los cultivos en

promedio dure hasta octubre. La evapotranspiración potencial anual varía entre 944-

1244 mm.

La temperatura promedio anual fluctua entre 13,3 y 15,6 ºC con una temperatura

mínima del mes más frío (julio) entre 3,9 y 5,2 ºC y temperatura máxima del mes más

cálido entre 27-31,1ºC. Las horas de frío anuales son entre 850-1200 hr (Del

Pozo,1999).

2.2.2. Suelo

Los suelos son de origen granítico, profundos, con perfiles arcillosos densos y muy

compactos, de textura franco arcillo arenosa y presencia de cuarzo. Con colinas

ondulantes, muy erosionadas, debido a que la fuerza de adhesión entre las partículas

es baja. Poseen bajo contenido de materia orgánica y alto contenido de fracciones limo

y arcilla. Los suelos que ocupan posiciones altas e intermedias han estado sometidos a

una severa acción geológica. Esto sumado a una erosión hídrica acentuada por la

acción del hombre, ha provocado el desplazamiento de estos materiales hacia las

depresiones que están constituidas por sedimentos de origen lacustre (Ovalle y Del

Pozo, 1994).

Los suelos presentan una baja permeabilidad, alta capacidad de retención de humedad

y bajas tasas de infiltración. Esta situación provoca altas escorrentías superficiales

concentradas en los meses de invierno y casi nulas en verano, las cuales crecen y

decrecen rápidamente, después de los eventos de precipitación (Selker et al., 2000).

2.2.3. Topografía La topografía del área es ondulada caracterizada por la presencia de lomas, cerros y

quebradas, la pendiente media es de un 14 % (Desv. Est. 14,6) con rangos de

elevación entre 37 m a 228 m sobre el nivel del mar (Ramírez, 2002).

2.2.4. Hidrología

La zona en estudio pertenece a la hoya hidrográfica del río Itata en la subcuenca del río

Lonquén en el sector San José de la comuna de Ninhue (Figura 2.2.).

San José

Figura 2.2. Modelo digital de elevación cuenca del río Lonquén.

Según registros de precipitación y escorrentía de la Dirección General de Aguas (1987)

el 80% de la precipitación de la cuenca ocurre entre los meses de marzo y agosto, los

primeros 100mm de lluvias no provocan escorrentías, mientras que los primeros 400mm

de lluvia solamente provocan 150 mm de escorrentía (37%), y los últimos 400 mm

producen 250 mm de flujo superficial (62%), en promedio anualmente el 47% de la

precipitación se traduce en escorrentía superficial. Estos antecedentes, concuerdan

con los observados por Selker (2000), Leñam (2000) y Uribe (2002), e indican que las

primeras lluvias se infiltran, y solamente después de esto se producen los flujos

superficiales.

Uribe (2002) realizó balances hidrológicos en dos cuencas del secano Interior, este

estudio demostró que en el año 2001, aproximadamente el 55% de la precipitación se

traduce en escorrentía, el 42% en evapotranspiración de la Cobertura Vegetal y sólo

entre 3-4% se convierte en percolación profunda.

2.3. MATERIALES Y MÉTODOS Desde comienzos del presente estudio (julio 2002) se realizan mediciones de precipitación, escorrentía superficial, presión atmosférica, humedad y arrastre de sedimentos en dos cuencas del secano Interior de Chile. 2.3.1. Microcuencas Se seleccionaron dos cuencas colindantes de 6,1 y 5,3 ha, características del área en estudio, la primera con manejos conservacionistas destinado a mejorar la infiltración y disminuir la erosión producida por los eventos de precipitación y la segunda sin manejos de conservación. En Cuadro 2.1. se muestran las coberturas y los manejos de las cuencas. Cuadro 2.1. Cobertura de suelo y manejos en cuencas en estudio.

COBERTURA MANEJO (%) (ha)Pinos Zanjas de infiltración 20,0 1,2Especies Nativas Zanjas de infiltración 2,1 0,1Pinos Zanjas de infiltración 3,5 0,2Trigo Mínima labranza 10,0 0,6Hualputra-trigo Mínima labranza 29,9 1,8Trigo-Leguminosas Mínima labranza 17,7 1,1Carcavas (árboles, matorrales) 16,7 1,0

TOTAL 100 6,1

MANEJO (%) (ha)Cobertura natural 86 4,6Carcavas (árboles, matorrales) 14 0,7

TOTAL 100 5,32

Cuenca con manejos conservacionistas

Cuenca sin manejos conservacionistas

2.3.2. Precipitación Las mediciones de precipitación fueron realizadas cada 15 minutos a través de un estación meteorológica modelo Campbell Datalogger CR23X que además permite registrar radiación solar, velocidad de viento, temperatura ambiental y humedad relativa. Esta estación se encuentra ubicada en la cuenca con manejos conservacionistas.

Foto 2.1. Estación Metereológica Campbell CR23X. 2.3.3. Escorrentía La escorrentía superficial en ambas cuencas se midió cada 5 min con un aforador circular de capacidad entre 80 – 7000 L min-1 (Samani et al., 1991), cada aforador esta implementado con dos medidores de presión Diver, uno sumergido para medir presión por carga de agua más presión atmosférica y otro al aire libre para medir presión atmosférica y obtener el nivel de agua por diferencia.

450

mm

3 m

Figura 2.3. Aforador circular de ambas cuencas. 2.3.4. Sedimentos Como medida de protección de las estructuras de aforo se instalaron obras de sedimentación que pudiesen captar el arrastre de suelo producto de la escorrentía. Estas obras consisten en dos sedimentadores de arrastre de fondo ubicados aguas arriba de los aforadores circulares. Luego de cada evento importante de escorrentía se inspeccionó, limpió y evaluó la acumulación de sedimentos. El arrastre de sedimentos se obtuvo mediante medidas volumétricas de los sedimentos captados por las estructuras.

2.4. RESULTADOS La figura 2.4 y 2.5 muestra los registros de precipitación del año 2002 (julio a diciembre)

y 2003 (enero a diciembre) respectivamente.

Figura 2.4. Precipitación del área en estudio año 2002 (julio a diciembre).

Figura 2.5. Precipitación del área en estudio año 2003 (enero a diciembre).

El área de estudio posee una precipitación media anual de 775 mm/año, concentrada

en los meses de invierno, donde la lluvia duplica los niveles de evaporación potencial.

Durante el año 2002 la precipitación anual fue de 935.8 mm (21% mayor a un año

normal) mientras que el año 2003 fue de 460.5 mm (59% de un año normal).

La Figura 2.6 muestra los valores registrados de precipitación y escorrentía acumulada en mm, desde julio 2002 hasta diciembre 2002 de ambas cuencas.

Figura 2.6. Precipitación y escorrentía acumulada (2002) de ambas cuencas (mm).

En el período de análisis 2002 las evaluaciones han indicado que no existen diferencias en los volúmenes de escorrentía registrados, el escurrimiento superficial en promedio corresponde a un 45% de la precipitación en ambas cuencas. Los hidrogramas de descarga muestran que ambas cuencas responden en forma similar a los eventos de precipitación en cuanto al tiempo de respuesta y duración de los eventos. En la Figura

2.7 se muestra un hidrograma de descarga característico de ambas cuencas producido por un evento de precipitación.

Figura 2.7. Hidrograma de descarga para las cuencas en estudio en un evento de precipitación.

Durante el año 2003, producto de las bajas precipitaciones el escurrimiento superficial

fue de aproximadamente 30mm para ambas cuencas, aproximadamente un 7% de la

precipitación anual (460mm),

Figura 2.8. Precipitación y escorrentía acumulada (2003) de ambas cuencas (mm).

Adicionalmente durante el período de análisis se registraron los sedimentos producidos por arrastre superficial en la escorrentía de ambas cuencas (Figura 2.9).

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

m3 h

a-1

C/ manejos S/ manejos

2002

2003

42%

8%

100%

100%

Figura 2.9. Arrastre de sedimentos en ambas cuencas período 2002-2003.

Los valores encontrados de sedimentos muestran que las prácticas de conservación tienen un efecto inmediato en cuanto a conservación de suelos mediante el control de la erosión hídrica. En comparación, el año 2002 la cuenca con manejos conservacionistas posee un 42% menos de sedimentos que la cuenca sin ningún manejo, mientras que el año de menores precipitaciones (2003) los sedimentos encontrados en la cuenca con manejos de conservación de suelos fue un 8% de los sedimentos medidos en la cuenca sin manejos.

2.5. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES En el período de análisis no se observan diferencias en los volúmenes de escorrentía medidos, sin embargo se espera que en el transcurso del estudio se encuentren diferencias en la escorrentía producto de un mayor grado de establecimiento de las prácticas conservacionistas. Los hidrogramas de descarga son muy similares entre ambas cuencas en cuanto a duración, volúmenes de escorrrentía y caudales máximos. Esto explica la similitud de la escorrentía acumulada en ambas cuencas. Existen claras diferencias en los volúmenes de arrastre de suelo, por lo que para estas condiciones las prácticas conservacionistas son exitosas en cuanto al control de la erosión. Considerando que la escorrentía es la misma en ambas cuencas, solamente el efecto de las prácticas de conservación ha logrado disminuir la erosión. Dado el corto período de mediciones no es posible establecer en forma clara que las prácticas de conservación mejoren la infiltración en este tipo de suelo.

2.6. BIBLIOGRAFÍA

Del Pozo, Del Canto, 1999. Áreas Agroclimáticas y sistemas productivos en la VII y VIII

región, Serie Quilamapu Nº 113, Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI

Quilamapu, Chillán, Chile, 116 p.

Mellado M, 1992. Producción de Trigo en el secano Interior. Instituto de investigaciones

agropecuarias, Centro Regional de Investigación INIA Quilamapu. 61 p.

Ovalle C. y A. Del Pozo, 1994. La agricultura del secano Interior. Instituto de

investigaciones agropecuarias, Centro Regional de Investigación INIA

Quilamapu. 234 p.

Ramírez, J. 2002. Peasant rationality and land cover changes in the central drylands of

Chile. Thesis Ph.D. in Geography. University of Nebraska-Lincoln, USA. 189 p.

Samani Z, S Jorat and M. Yousaf, 1991, Hydraulic Charasteristics of circular

flume.Journal of Irrigation and drainage Engineering. 117 (4). 558-566.

Selker J., D. Rupp, M. Leñam y H. Uribe, 2000 Estudio Hidrológico en el secano Interior,

resultados preliminares del proyecto piloto en Portezuelo.Informe técnico, INIA

Chillán, Chile, 41p.

Uribe H., J. L. Arumí, L. Gonzalez y L. Salgado. 2003, Balances hidrológicos para

estimar recarga de acuíferos en el secano Interior de Chile. Ingeniería Hidráulica

en México, Vol XVIII, num3,pp 17-28 julio-septiembre 2003.

CAPÍTULO 3

PEQUEÑAS OBRAS DE ACUMULACIÓN

AUTORES: Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS© CONSULTOR TÉCNICO José Luis Arumí R. Ing. Civil

PEQUEÑAS OBRAS DE ACUMULACIÓN

3.1 . INTRODUCCIÓN

Existen dos medidas fundamentales para realizar una agricultura preocupada en la conservación de

los suelos: la primera es aplicando una buena administración de los cultivos y sus rotaciones y la otra

es construyendo obras civiles que ayuden en el control de la erosión y en el almacenamiento del

agua.

En este capítulo se explica el diseño y construcción de pequeñas presas de acumulación de agua,

basándose en la experiencia obtenida en el sector de San José comuna de Ninhue, correspondiente

al secano interior de la Vlll región de Chile, ubicación actual del proyecto CADEPA. En este lugar las

precipitaciones anuales son bajas, llegando a un promedio anual aproximado de 700 mm, con una

panorámica muy pobre en vegetación. Este lugar posee dos características fundamentales con

respecto al agua con que se cuenta, las cuales son:

1- Existen muy pocos ríos con un flujo de agua constante en el año.

2- Las vertientes existentes son muy escasas en numero y en caudal.

En reflejo a esta situación, el agua para riego utilizada en la zona, proviene esencialmente de

aguas subterráneas superficiales (punteras y pozos noria), aunque existen pequeñas obras de

acumulación en vertientes, estas son muy mal empleadas, por no tener claro el objetivo del uso y no

existir sistemas de riego que optimicen el recurso.

El tema del desarrollo de recursos hídricos en la agricultura para el secano interior, se puede resumir

en poder acumular aguas lluvias en invierno, para ser usadas en la temporada de riego.

Para acumular el agua en la superficie del suelo, es necesaria la construcción de obras específicas

para este fin, como son los “depósitos de agua” o “embalses interanuales (presas)”, estos últimos

cierran el paso del agua proveniente de las precipitaciones a través de un muro contenedor o

terraplén ubicado estratégicamente en un valle entre montañas. El embalse es una obra civil, cuyo

último fin es el desarrollo rural, aprovechando aguas de lluvia para asegurar recursos hídricos

estables.

En cuanto a la geología superficial de la zona, se puede mencionar que es de origen granítico poco

permeable, muy difícil de perforar hasta las napas de agua subterránea, por lo que en la época de

lluvias una gran cantidad de esta escurre.

El presente manual trata principalmente las pequeñas presas de material homogéneo (tierra), se

muestra una guía técnica para su diseño y posterior construcción, siendo un medio eficiente de

control de recursos hídricos en el secano interior del país.

3.2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL DESARROLLO DE UN EMBALSE

La política fundamental a seguir, para el diseño y construcción de un embalse, es asegurando primero

que todo, el almacenamiento de agua necesaria para ser ocupada en la temporada de riego, luego

nos debemos preocupar del material con el que se construirá el terraplén, considerando los

parámetros de resistencia y compactación óptimos para prevenir problemas estructurales al

momento de la construcción y a futuro. Por ultimo se debe realizar el cálculo y selección de obras de

toma, desagüe, vertedero, entre otros, adecuados para el buen funcionamiento de la obra. Todos

estos pasos se deben asociar a los costos que posee cada uno de ellos, por lo que es de suma

importancia llegar a una relación conveniente entre calidad y precio.

3.2.1. Conformidad de los objetivos

Se debe analizar la existencia de una cuenca que satisfaga la necesidad de almacenamiento de agua,

la que debe ubicarse cerca de los beneficiarios y a una altitud en que se pueda aprovechar la fuerza

de gravedad, para conducir el recurso hasta cada sector de riego.

3.2.2. Condiciones sociales

Aunque exista un lugar físico que cumpla las condiciones para la construcción de un embalse, es

necesario realizar un estudio acabado de los posibles cambios medioambientales que se puedan

generar y discutirlos con los propietarios y personas que habitan en las cercanías de la obra.

3.2.3. Condiciones geológicas y topográficas

Las características físicas y topográficas del lugar en que se construirá el embalse, es un factor que

se debe estudiar globalmente, incluyendo rasgos tales como pendientes longitudinales del valle,

inclinaciones, la forma de corte del valle, entre otras, debido a que cada caso en si posee una

particularidad propia. Como ejemplo a esta situación se puede mencionar que lo ideal para la

construcción de un embalse es que sea realizado en un valle ancho de pendiente suave, pero si

ocurre lo contrario a lo descrito, es decir, un valle estrecho y largo, quizás sea menos apropiado, pero

el terraplén a construir será mucho menor y por ende los costos bajaran considerablemente.

En general la construcción de una presa es deseable que se realice en un lugar cuya base sea rocosa

o poco permeable, con escasos sedimentos en el área de inundación y pocas rupturas en las laderas

del depósito, las que pueden ser sinónimo de fugas de agua.

3.3 ESTUDIOS Y PLANIFICACIÓN

3.3.1 Conceptos fundamentales

Los embalses cuya fuente de almacenamiento de agua provengan de las lluvias invernales, deben ser

capaces de acumular suficiente recurso para suplir los requerimientos durante la temporada de

sequía en verano, lo que implica que estas construcciones sean de gran envergadura y de altos

costos, por lo que debe existir una planificación adecuada en el uso del agua, optimizando al máximo

todos los recursos disponibles, además se debe tener muy presente los riegos que involucra la

construcción de estas obras por la variable meteorológica, fluctuando las precipitaciones año a año,

de aquí nace la inquietud de realizar un estudio hidrológico completo de la situación, para minimizar

este riesgo y construir una presa de acuerdo a los requerimientos hídricos de los beneficiarios y las

lluvias anuales en la zona.

3.3.2 Factores básicos a cumplir en el diseño de las presas de tierra

3.3.2.1. Factores básicos de diseño

A- La función principal de una presa de tierra es almacenar el agua necesaria para suplir los

requerimientos hídricos en los meses de sequía.

B- Debe ser una obra estructuralmente segura.

C- Debe ser una obra de fácil construcción y económica.

D- Debe ser de fácil mantenimiento y limpieza después de su construcción.

E- No debe interferir ni afectar el medio ambiente en que se construirá.

El factor A es el principal a considerar al momento de diseñar, mientras los factores B, C, D son

requerimientos generales en el diseño y por ultimo el factor E es la medida preocupada del

medioambiente en que se realizará la obra.

Para cumplir los factores antes mencionados, es necesario poder diseñar de forma adecuada cada

parte de la presa. En la figura 3.1. se detalla cada parte y el tipo de diseño que se puede realizar,

dependiendo de las condiciones físicas, económicas y el criterio del ingeniero a cargo.

Presa homogéneaPresa con núcleo inclinado

Presa Presa con núcleo centralPresa con pantalla superficialPresa con pantalla inyectada

Conducto inclinado de toma de aguaTorre de toma de agua

TomaCanal/conducto de transmisión

Presa de tierra Vertedero de canal entradaVertedero de tipo desbordanteVertedero de pozo

VertederoCanal/conducto de transmisión

Disipador de energía

Compuesta de limpiaDique para sedimentaciónMejoramiento para seguridad

Otrasestructuras

Figura 3.1. Partes de una presa.

3.3.3 Estudios necesarios para la construcción de una presa de tierra

Los estudios realizados para ver la factibilidad de construir una presa, deberán considerar: 1) la

planificación para el uso del agua de la presa, 2) Se debe obtener la información necesaria para

diseño y construcción de cada estructura. 3) Esta información debe ser recavada y analizada de una

forma precisa y con argumentos científicos.

Los estudios necesarios son:

3.3.3.1. Mediciones de los detalles

Primero se debe elaborar un mapa topográfico en detalle del lugar físico en que se emplazará la presa,

en el se podrá dibujar y medir los volúmenes de tierra a mover para la construcción del muro

contenedor o terraplén, en este plano se podrá designar el lugar mas apropiado para ejecutar la obra,

el que debe verificar cada uno de los factores básicos de diseño explicados anteriormente, sobre todo

que el volumen de acumulación sea el necesario para cumplir con la planificación de uso del agua .

Después de elegir el lugar mas apropiado para la construcción del muro de contención, es preciso

diseñar y dibujar en el plano los pormenores de la presa, mencionados en la figura 1 (obra de toma,

desague, vertedero, compuertas), con las vistas necesarias para ejecutar la obra y poder realizar una

cubicación adecuada de los materiales a emplear con los respectivos costos de la construcción.

3.3.3.2. Análisis geológico y estructural del suelo

Se debe analizar el suelo en que se construirá la presa y proceder a investigar si tiene problemas

estructurales para instalar los cimientos de la obra, además es de suma importancia, saber cual es el

tipo de suelo con que se edificara el terraplén para determinar si se debe utilizar algún revestimiento

o si es necesario el agregar otro tipo de tierra para aumentar la resistencia e impermeabilidad. La

figura 3.2. muestra la clasificación de los suelos por textura, según el Ministerio de Agricultura de los

Estados Unidos.

El triángulo determina el nombre que se debe usar para cada tipo de suelo, en relación a las

cantidades porcentuales de arcilla, limo y arena que contenga en su composición, definiéndose como

arcilla todas las partículas finas con diámetros menores a 0.002 mm, Limo como las partículas con

diámetros entre 0.002 mm - 0.05 mm y las arenas son aquellas partículas cuyo diámetro fluctúa entre

0.05 - 2 mm.

Arcilla

LimoArena

Porc

enta

je d

e ar

cilla Porcentaje de lim

o

Porcentaje de arena

Archilla

Limo

Migajón

Arena

Mihajón

Arenamigajonosa

Migajón

MigajónAreno-arcilloso

Arenoso

Arcilla

Arenosa

arcillosoMigajón

Limo

Arcilloso

Arenamigajonosa

limoso

10

100

20

30

40

50

60

70

80

100

9010

20

30

40

50

60

70

80

90

100 102030405060708090

P orcen t ajes d e ar cilla (par t ícu la s in fer ior es a 0.002, m m ), lim o (par t ícu la s de 0.002 a 0.05 m m ), y ar ena (par t ícu la s de 0.05 a 2.0 m m ) de las clas es básicas de textur a

Arcilla

LimoArena

Porc

enta

je d

e ar

cilla Porcentaje de lim

o

Porcentaje de arena

Archilla

Limo

Migajón

Arena

Mihajón

Arenamigajonosa

Migajón

MigajónAreno-arcilloso

Arenoso

Arcilla

Arenosa

arcillosoMigajón

Limo

Arcilloso

Arenamigajonosa

limoso

10

100

20

30

40

50

60

70

80

100

9010

20

30

40

50

60

70

80

90

100 102030405060708090

Arcilla

LimoArena

Porc

enta

je d

e ar

cilla Porcentaje de lim

o

Porcentaje de arena

Archilla

Limo

Migajón

Arena

Mihajón

Arenamigajonosa

Migajón

MigajónAreno-arcilloso

Arenoso

Arcilla

Arenosa

arcillosoMigajón

Limo

Arcilloso

Arenamigajonosa

limoso

10

100

20

30

40

50

60

70

80

100

9010

20

30

40

50

60

70

80

90

100 102030405060708090

P orcen t ajes d e ar cilla (par t ícu la s in fer ior es a 0.002, m m ), lim o (par t ícu la s de 0.002 a 0.05 m m ), y ar ena (par t ícu la s de 0.05 a 2.0 m m ) de las clas es básicas de textur a

Figura 3.2. Diagrama triangular para la clasificación de suelos por texturas. (U.S. Soil

Conservation Service)

3.3.3.3. Datos meteorológicos

Se deben analizar los datos meteorológicos del sector en estudio, de acuerdo a los antecedentes de

estaciones representativas del lugar, o realizando transposición de caudales si fuera el caso. Este es

un paso muy importante para el diseño, por lo que entre mas datos, mejor será el análisis, no

pudiendo ser menor a 10 años la información recabada.

3.3.3.4. Estudios y contenidos del plan

Basándose en los datos investigados y de acuerdo al lugar en que se construirá el embalse, es

necesario estudiar algunos valores propios del sector, para conseguir una planificación correcta del

uso de agua y un diseño adecuado del embalse. Estos datos o valores se señalan y explican a

continuación, en referencia al sector de San José, comuna de Ninhue.

A- Cálculo de la precipitación de diseño

Para elaborar el plan de utilización de aguas del embalse, es necesario determinar una precipitación

conservadora, la que asegure una programación correcta del recurso en el tiempo. En este caso se

recomienda usar como periodo de retorno 10 años, cifra normal para la planificación de riego, es decir,

se emplea la precipitación anual más débil o con mayor sequía que ocurre una vez cada diez años.

Esta precipitación se calcula estadísticamente en base a datos recopilados, representativos de la

zona en análisis.

El cuadro 3.1. muestra la precipitación que ocurre para diferentes periodos de retorno, obtenidas a

partir de informaciones recientes de la estación meteorológica ubicada en el sector de San Agustín de

Puñual, comuna de Ninhue. En la presente zona se usará como precipitación para la planificación del

uso del agua, los 465 mm anuales que ocurren una vez cada diez años, como se muestra a

continuación.

Cuadro 3.1. Precipitación por probabilidad.

B- Estimación de la evaporación.

La evaporación y las fugas, son las perdidas mas relevantes que afectan la cantidad de agua

almacenada en una presa, de esta forma es posible pensar que a mayor evaporación mayor será el

volumen a embalsar para el cumplimiento de los requerimientos hídricos del programa de riego. En

esta zona la evaporación anual es aproximadamente 1100 mm, parámetro muy importante a

considerar en el diseño, ya que, aunque se eleve la altura de la presa del embalse y se amplié el área

de estancamiento, existe la posibilidad de que no aumenten estos recursos realmente. Por lo tanto,

para la selección de la localización de una presa es preciso asegurar la profundidad de agua

necesaria, considerando la cantidad de evaporación y el costo de construcción.

C- Cálculo del coeficiente de escurrimiento

Para realizar un buen diseño de la presa, se debe tener en consideración, que no toda el agua

proveniente de las precipitaciones escurre hasta el área de inundación, lo que sucede esencialmente

por la infiltración de esta, al avanzar en la superficie del suelo. En el sector de San José, el coeficiente

de escurrimiento llega a ser un 65% de las precipitaciones, entre los meses de mayor cantidad de

lluvias (Mayo a Julio), pero fuera de estos meses este valor baja drásticamente por la sequedad del

terreno y la disminución de las precipitaciones.

D- Requerimientos hídricos.

La cantidad de agua necesaria para suplir los requerimientos hídricos de los cultivos considerados en

la planificación del riego, es la base para determinar el volumen de la obra. El plan de riego se debe

determinar para cada situación en particular, contemplando los cultivos y sus necesidades, datos

agronómicos, como son el marco de plantación, porcentaje de sombreamiénto entre otros (Cuadro

3.2).

Cuadro 3.2. Muestra la cantidad de agua necesaria para algunos cultivos, en San José Ninhue.

octubre eneroViñas 1.41 2.51 8000 oct-mar 2879Olivos 20.6 36.8 833 oct-mar 4399Psitachos 74.5 132.9 400 oct-mar 7626Hortaliza 1.54 0.86 33333 oct-mar 7382

Temporada de riego

Riego (m3/ha)

Plantas por hectáreaCultivo lit/día/planta

Requerimiento de Agua

3.4 DISEÑO

3.4.1 Diseño de la presa

Las presas del tipo homogéneo están compuestas de un solo material o tipo de tierra (excluyendo la

protección de los muros). El material con que se construye la presa debe ser suficientemente

impermeable, formando una barrea efectiva contra el paso del agua y debe poseer taludes

relativamente tendidos para logran una estabilidad adecuada del terraplén. Ambos taludes deben ser

lo suficientemente inclinados y compactados para resistir la licuación de la tierra del muro, evitando

problemas estructurales. En una sección completamente homogénea, es inevitable que las

filtraciones emerjan en el talud de aguas abajo, cualquiera que sea la impermeabilidad del suelo. Si el

nivel del agua en el área de inundación se mantiene elevado por un tiempo suficientemente largo, el

talud de aguas abajo, eventualmente será afectado por las filtraciones a una altura aproximada de un

tercio de la altura del agua, como se muestra en la Figura 3.3, Foto 3.1. y Foto 3.2.

Hace tiempo atrás era muy común construir presas de material homogéneo, pero estas se han

reemplazado por presas de sección homogénea modificada, en la que pequeñas cantidades de

materiales impermeables, cuidadosamente situadas, controlan las filtraciones de manera que

permiten taludes mucho más inclinados. El efecto del drenaje en el talón de aguas abajo en el

terraplén se muestra en la Figura 3.4.

n2

1,01,0

B>1m

Cimentación impermeable

H =4m

Superficie del agua del vaso

Zanja de dentellón

Superficie de terreno original

h/3

n1

h>0.5m

h

n2

1,01,0

B>1m

Cimentación impermeable

H =4m

Superficie del agua del vaso

Zanja de dentellón

Superficie de terreno original

h/3

n1

h>0.5m

h

Figura 3.3 Presa completamente homogénea.

Foto 3.1. Cimientos de una presa. Foto 3.2. Construcción del muro.

Superficie del agua del vaso

Cimentación impermeable

Limite superior de las filtraciones

(1) Con talón de Roca

Talón de enrocamiento

Superficie del agua del vaso Limite superior de las filtraciones

Filtro para drenaje

Cimentación impermeable

(2) Con filtro para drenaje

Zanja de dentellón

Zanja de dentellón

Superficie del agua del vaso

Cimentación impermeable

Limite superior de las filtraciones

(1) Con talón de Roca

Talón de enrocamiento

Superficie del agua del vaso Limite superior de las filtraciones

Filtro para drenaje

Cimentación impermeable

(2) Con filtro para drenaje

Zanja de dentellón

Zanja de dentellón

Figura 3.4. Presa homogénea modificada.

3.4.2. Sección de la presa

El talud de aguas arriba de la presa, puede variar entre un rango de 2:1 a uno tan tendido como 4:1,

considerando que a pendientes mas suaves, mayor será la estabilidad, en perjuicio de los costos, las

medidas mas comunes para taludes en contacto con el agua, varían entre 2.5:1 a 3:1. La intención de

implementar taludes tendidos es eliminar protecciones impermeables costosas. A menudo, se

construyen bermas colocadas a una elevación ligeramente inferior al punto máximo de altura que

alcanza el agua, para formar una base de protección del talud de aguas arriba. Al diseñar el talud de

aguas arriba, con frecuencia se aumenta su pendiente sobre la elevación máxima del agua a

almacenar, debido a que en esta zona, al no estar en contacto con el agua, la estabilidad es mayor y

de esta forma se reduce el volumen tierra o material ocupado, disminuyendo los costos de movimiento

y compactación.

Las pendientes utilizadas comúnmente para los taludes de aguas a bajo de la presas de tierra, son de

2:1, cuando la presa lleva una zona impermeable en el talón y de 2.5:1 cuando el terraplén es

impermeable. Estos taludes son estables si los suelos ocupados son aptos para la construcción de

este tipo de obras y cuando se proyecta implementar un drenaje en el talón de aguas abajo del

terraplén, lo que implica que el muro nunca se saturara por las filtraciones.

Los taludes recomendados para las presas homogéneas de tierra se muestran en el cuadro 3.3, tanto

para las presas reguladoras como para las de almacenamiento en condiciones de desembalse rápido

o lento. Cuando se da más de una clasificación de suelos para un grupo de taludes, es una indicación

que la presa se puede construir con esos taludes, usando cualquiera de estos suelos o una

combinación de los mismos.

Cuadro 3.3. Taludes recomendados para las presas de tierra homogénea.

Talud de aguasarriba

Talud de aguasabajo

n1: 1,0 n2: 1,0GW, GP, SW, SPGC, GM, SC, SM 2,5 : 1,0 2,0 : 1,0CL, ML 3,0 : 1,0 2,5 : 1,0CH, MH 3,5 : 1,0 2,5 : 1,0GW, GP, SW, SPGC, GM, SC, SM 3,0 : 1,0 2,0 : 1,0CL, ML 3,5 : 1,0 2,5 : 1,0CH, MH 4,0 : 1,0 2,5 : 1,0

1

2

Velocidades de desembalse de 6 plg o más después de periodos prolongados de almacenamiento aniveles elevados en el vaso.

Los suelos OL y OH no se recomiendan para las porciones mayores de las presas de tierra homogéneas.Los suelos Pt son inadecuados.

Permeable, no adecuado

BHomogéneamodificada Almacenamiento Sí

Permeable, no adecuado

Clasificación de lossuelos

AHomogénea uhomogéneamodificada

Regulación oalmacenamiento No

Caso Tipo PropósitoSujetas a

desembalsesrápidos

3.4.3 Métodos de tratamiento de las cimentaciones de grava y de arena

3.4.3.1. Generalidades

En la construcción del muro de contención o terraplén, se pueden utilizar varios métodos de

control de las filtraciones de agua, las que dan la forma a la cimentación con respecto a su estabilidad

contra la fuerza de infiltración, pudiéndose mencionar los dentellones de zanja, las ataguías, las

cortinas de pilotes o alguna combinación de estos métodos. Con este mismo objetivo también se ha

utilizado colchones de material impermeable, colocados estratégicamente en el talón de aguas arriba

del muro, como también es posible situar este colchón en el talón de aguas abajo del muro donde

tiende a salir el agua infiltrada. El propósito de emplear estos colchones impermeables es permitir el

paso libre del flujo de agua, disipando las presiones de esta, sin que se altere la estructura de la

cimentación ni se pierdan las partículas finas. Existen otras formas de tratar las infiltraciones, como es

la Implementación de pozos de drenaje, los que se usan para disminuir las presiones en los estratos

permeables del muro, debajo de los colchones impermeables, evitando los posibles reventones aguas

abajo de la presa.

3.4.3.2. Dentellones de tierra.

Los dentellones de tierra se clasifican en dos grupos en general, los que se definen a continuación:

• Dentellones de costados inclinados: Como su nombre lo indica, son aquellos dentellones cuyas

paredes poseen un grado de inclinación con respecto a la vertical. Este tipo de dentellones se

pueden excavar con palas mecánicas o dragas giratorias y para el relleno se debe recurrir a

materiales impermeables, compactados de la misma forma que el muro de contención.

• Dentellones de costados verticales: Este tipo de dentellón posee paredes verticales, cuya zanja

es hecha comúnmente a mano o con excavadoras para zanjas en escalones o rebajes

En general los dentellones de paredes verticales son menos económicos que los de paredes

inclinadas, debido esencialmente al volumen de tierra a mover en la excavación y luego en el relleno

y compactación.

Los dentellones de tierra deben localizarse entre la pared que se encuentra en contacto con el agua y

a una distancia regular de la línea central de la presa, esta distancia no puede superar el punto en que

el material impermeable de la presa, arriba del dentellón, tenga una resistencia a la filtración cuando

menos igual a la ofrecida por el mismo dentellón. La línea central del dentellón, se debe mantener

paralela a la línea central de la presa a través del fondo del cañón o piso del valle, pero debe

converger hacia la línea central de la presa al prolongarse hacia los atraques, con el objeto de

mantener el espesor necesario del terraplén.

Siempre que sea económicamente posible, se deben cortar las filtraciones de una cimentación

permeable, por medio de un dentellón que llegue hasta la roca fija u otro estrato impermeable. Este es

el método más efectivo para controlar el volumen de filtraciones y de asegurarse de que no se

experimentarán dificultades por tubificaciones a través de la cimentación o por sub-presiones en el

talón de aguas abajo de la presa.

3.4.4 Estudio de materiales de una presa

La tierra utilizada para la construcción del muro contenedor o terraplén de una presa, debe poseer

características de impermeabilidad y resistencia al corte adecuada al ser compactada, obteniendo

como resultado una obra segura y perdurable en el tiempo. Para lo anteriormente destacado, es

necesario analizar la idoneidad de la tierra a ocupar para la construcción del terraplén, lo que se

comprueba con los siguientes estudios.

3.4.4.1. Granulometría

Debe poseer una distribución granulométrica que permita tener alta densidad y que contenga porción

granulométrica fina adecuadamente.

3.4.4.2. Límite de consistencia

Debe poseer una plasticidad adecuada.

3.4.4.2. Pesos específicos

La densidad relativa de los materiales cuando es inferior a 2.6, puede significar que contenga

substancias o elementos orgánicos indeseables, ya que afectan la resistencia de la obra a futuro.

3.4.4.3.Compactación, Proctor modificado.

A través de este ensayo se determina la resistencia del material y su nivel de trabajabilidad o

manipulación.

3.4.4.4. Permeabilidad

La permeabilidad o en su defecto la impermeabilidad del material puede determinarse de acuerdo al

tipo de suelo en estudio como se ve en los cuadros 3.4 y 3.5.

Cuadro 3.4. Propiedades y adecuación de materiales para presa.

Presahomogénea

Zonaimpermeable

Zonapermeable

Filtraciónserio

Filtraciónignorado

GW Permeable Superior Casi negativo Superior - - 1 - 1

GP Muy permeable Bien Casi negativo Bien - - 2 - 3

GMSemi-permeable -

impermeable Bien Casi negativo Bien 2 4 - 1 4

GC Impermeable Bien - satisfacción Muy pequeño Bien 1 1 - 2 6

SW Permeable Superior Casi negativo Superior - - 3* - 2

SP Permeable Bien Muy pequeño Satisfacción - - 4* - 5

SM Semi-permeable -impermeable

Bien Pequeño Satisfacción 4 5 - 3 7

SC Impermeable Bien - satisfacción Pequeño Bien 3 2 - 4 8

ML Semi-permeable -impermeable Satisfacción Medio Satisfacción 6 6 - 6 9

CL Impermeable Satisfacción Medio Bien - satisfacción 5 3 - 5 10

OL Semi-permeable -impermeable Insatisfacción Medio Satisfacción 8 8 - 7 11

MH Semi-permeable -impermeable

Satisfacción -insatisfacción Grande Insatisfacción 9 9 - 8 12

CH Impermeable Insatisfacción Grande Insatisfacción 7 7 - 9 13

OH Impermeable Insatisfacción Grande Insatisfacción 10 10 - 10 14

P‚” - - - - - - - - -

Clasificaciónsimbología

En la columna "Adecuación de materiales", el numero "1" representa alta adecuación, y mayor numero representa baja adecucación

Notas

Clasificaciónde símbolo

Propietario importnte Adecuación de materiales

Para presa Para cimentación

* : Materiales con alto contenido de grava

Se clasifica la tierra según el tamaño de partícula de suelo en G (grava), S (arena), M (limo) y O (orgánico), y en cuanto al suelo de grano grueso (G, S)se subdivide según la combinación de granulometría en W (bueno), P (malo), M (con limo), y C (con archillo), y en relación al suelo de grano fino (M, O)en H (plasticidad alta) y L (plasticidad baja), combinando dos símbolos. Pt indica turba.

Permeabilidaddespués

compactación

Resistencia al cortea saturación

despuéscompactación

Compresibilidad asaturación después

compactación

Facilidad paratrabajo durante de

terraplen

Densidadmáxima del

materialseco en

libras

Proporciónóptima de

aguaporcentaje

γdmax C0 Csat 140 350(kN/m3) (kN/m2) (kN/m2) (kN/m2) (kN/m2)

GW >19.1 <13.3 * Alto 1-8� 1-1�@�i2.7-2±1.3-2) Permeable * * >38 Muy alto Muy fácilAdecuadapara zonapermeable

<1.4 * Bien

GP >17.6 <12.4 * Alto�medio 5-3�1+1�@�i6.4-2±3.4-2)Permeable�`

muy permeable * * >36 Alto Muy fácilAdecuadapara zonapermeable

<0.8 * Bien

GM >18.3 <14.5 * Alto�medio 1-7�1-4�@�i�@>3-7)Semi-

permeable * * >34 Alto Muy fácilAdecuadapara zona

impermeable<1.2 <3.0 Bien

Zanjainterceptadoraen pie detalud

GC >18.4 <14.7 * Muy alto 1-8�1-5�@�i�@>3-7) Impermeable * * >31 Alto Muy fácilAdecuadapara zona

impermeable<1.2 <2.4 Bien No neceario

SW 19.1 ± 0.8 13.3 ± 2.5 0.37 ± * Aloa�medio 5-4� 5-2�@�i�@*�@) Permeable 40±4 * 38±1 Muy alto Muy fácilAdecuadapara zonapermeable

1.4±* * Bien

SP 17.6 ± 0.3 12.4 ± 1.0 0.50 ± 0.03 Bajo�muybajo 5-5�5-1�@�i7.2-4)

Permeable�`semi-permeable 23±6 * 36±1 Alto Fácil�medio

Adecuadapara zonapermeable

0.8±0.3 * Bien�malo

SM 18.3 ± 0.2 14.5 ± 0.4 0.48 ± 0.02 Medio�bajo 1-7�5-1

�i2.7-2±1.3-2)Semi-

permeable�`impermeable

52±6 20±7 34±1 Alto Fácil�medioAdecuadapara zona

impermeable1.2±0.1 3.0±0.4 Bien�malo

SM-SC 19.1 ± 0.2 12.8 ± 0.5 0.41 ± 0.02 - �@�@�@- �i8.0-7±6.0-7) - 51±22 15±6 33±3 - - - 1.4±0.3 2.9±1.0 - -

SC 18.4 ± 0.2 14.7 ± 0.4 0.48 ± 0.01 Alto 1-8�5-5�@

�i3.0-7±2.0-7) Impermeable 76±15 11±6 31±3 Alto�`medio Fácil�medio

Adecuadapara zona

impermeable1.2±0.2 2.4±0.5 Bien�malo No neceario

ML 16.5 ± 0.2 19.2 ± 0.7 0.63 ± 0.02 Bajo�mu bajo 1-8�1-5�@

�i5.9-7±2.3-7) Impermeable 68±10 9±* 32±2 Medio�`bajo

Medio�muydifícil

Adecuadapara zona

impermeable1.5±0.2 2.6±0.3 Malo

Zanjainterceptadoraen pie detalud

ML-CL 17.5 ± 0.2 16.8 ± 0.7 0.54 ± 0.03 - �@�@�@- �i1.3-7±0.7-7) - 64±17 22±* 32±3 - - - 1.0±0.2 2.2±0.0 - -

CL 17.3 ± 0.2 17.3 ± 0.3 0.56 ± 0.01 Alto 1-8�1-6�@�i8.0-8±3.0-8) Impermeable 88±10 13±* 28±2 Medio Fácil�medioAdecuadapara zona

impermeable1.4±0.2 2.6±0.4 Bien�malo No neceario

OL * * * Medio 1-5� 1-5�@

�i�@*�@) Impermeable * * * Bajo Medio�difíc il Inadecuada * * Malo No neceario

MH 13.1 ± 0.6 36.3 ± 3.2 1.15 ± 0.12 Medio�alto 1-9�1-7�@�i1.6-7±1.0-7)Muy

impermeable 73±30 20±1 25±2 Bajo Difícil�muydifícil Inadecuada 2.0±1.2 3.8±0.8 Malo No neceario

CH 15.0 ± 0.8 25.5 ± 1.2 0.80 ± 0.04 Muy alto 1-10�1-8�@

�i5.0-5±5.0-8)Muy

impermeable 104±34 11±6 19±5 Majo�`medio Muy dicícil

Adecuadapara zona

impermeable2.6±1.3 3.9±1.5 Malo No neceario

OH * * * - �@�@�@- �i�@*�@) * * * - Inadecuada * * Malo No neceario

Pt Compactaciónimposible Uso imposible Debe quitar a

cimentaciónNota El signo ± indica límite de confianza del 90% del valor medio. * Denota datos insuficientes, > es mayor que, < es menor que. C0 : El Valor de contenido de agua óptima; Csat : El Valor de agua saturada. (1-3�1-1) en permeabilidad son abreviatras de (1×10-3�1×10-1)

Murointerceptador

completo

Murointerceptadorimcompleto

Adecuaciónpara

materiales depresa (zona)

Compresibil idad Adecuación para cimentación

wopt(%) e0 φ�i�K) Resistencia Medida parapermeabilidad

Permeabil idad,coeficiente k(cm/s),alcance (promedio)

PermeabilidadResistencia al corte Dificultad

/facilidad paraconstrucción

Grupo declasificación

del suelo

Compactación Proctor

Relación dehuecos Resistencia a

la sacavación

Cuadro 3.5. Propiedades de los suelos.

3.4.5. Diseño de un vertedero

El vertedero es una estructura de seguridad para el embalse, la función de esta obra es evacuar

los excedentes de agua que entran al depósito, debido a lluvias fuertes ocurridas en la temporada

invernal

1

donde :

La fórmu

máximo

Concep

descarg

demora

desague

Esta ec

cuenca.

General

3,6Qp= ×re×A

Ecuación 1

Qp= Caudal máximo de escurrimiento (m3/s)

A = Área de captación en km2

re = Es la intensidad media efectiva de las precipitaciones en mm/hr durante el período de

concentración de flujo.

la racional se ha utilizado común y convenientemente debido a su simplicidad para calcular el

escurrimiento.

tualmente la formula racional es entendida como una formula para el cálculo de la máxima

a de lluvia, durante el tiempo de concentración, el que se define como el tiempo en que se

una gota de agua en viajar desde el punto más lejano del embalse (o cuenca) hasta el

.

uación no presenta problemas si se asume que la lluvia es igual en cualquier punto de la

mente se aplican los siguientes procedimientos para obtener el escurrimiento máximo (Qp).

1) Determinación del área de captación (A),

2) Determinación del período de retorno estándar y precipitación estándar,

3) Estimación del tiempo de concentración de flujo (Tc)

4) Estimación del coeficiente de máximo escurrimiento (re)

5) Cálculo del máximo escurrimiento (Qp).

La tasa máxima de escurrimiento se determina con el supuesto de que el punto máximo se produce

por las intensidades de precipitación media máxima dentro del tiempo de concentración del flujo. Por

lo tanto, las intensidades medias de precipitación durante el tiempo de concentración de un flujo

deben calcularse anticipadamente.

La relación existente entre la duración t (min) y el máximo de las intensidades de precipitación media

en la duración I t (mm/hr), generalmente se puede expresar como sigue:

a(tn+b)

It= Ecuación 2

Donde a, b y n son constantes que dependen de la intensidad y la localidad. Generalmente se aplican

varios tipos de ecuaciones tales como el tipo Talbot (n=1), el Tipo Sherman (b=0) y el tipo Hisano

(n=1/2). Para el tipo Talbot y el Hisano, t es aplicable a 120min o menos mientras que para el tipo

Sherman t se aplica a 60 min o más.

Para el diseño de un vertedero en la presente zona, se emplea la formula Talbot (n=1), debido a que

el tiempo de concentración es pequeño, luego para el cálculo de las constantes a y b, se utiliza una

lluvia de una y dos horas de duración con un período de retorno de 100 años, estos valores se

encuentran en el Manual de Carreteras del Ministerio de Obras Públicas para cada zona del país.

El tiempo de concentración, se define como el tiempo que se demora una gota de agua en viajar

desde el punto más lejano de la cuenca hasta el desaguadero.

La fórmula generalmente aplicada en los EEUU para la estimación del tiempo de concentración es la

de Kirpich, la que se muestra a continuación:

Tc

S

Tc=0,02 × L0,77× S-0.385= 0,02× (L3/H)0,385

Ecuación 3

Donde

= es el tiempo de concentración de flujo en min.,

L = es la ruta más larga de flujo de agua lluvia en m,

H = es la diferencia existente entre la cota mas alta y la mas baja de la cuenca en estudio

= (L/H) es la pendiente media del flujo de agua.

Por medio de esta ecuación se obtiene el tiempo de concentración, valor que se remplaza en la

ecuación 2, para determinar la intensidad de la precipitación I t. (mm/hr)

3.4.5.1. Cálculo de la intensidad de lluvia efectiva.

El coeficiente máximo de escurrimiento de agua (fp), es definido por la relación existente entre la

intensidad de lluvia efectiva (re) y la intensidad de lluvia durante el

tiempo de concentración (It=r). re=fp× r

donde

fp = coeficiente máximo de escurrimiento,

re = Es la intensidad media efectiva de las precipitaciones en mm/hr durante el período de

concentración del flujo.

El coeficiente de escurrimiento máximo, varía con las condiciones geológicas, superficie del terreno,

humedad, entre otros parámetros. El valor es determinado resolviendo inversamente la formula

racional la que muestra el caudal máximo de escurrimiento, Ecuación 1.

Como resultado del análisis sobre las situaciones reales de fp , en una cuenca pequeña del área de

San José Ninhue, se obtuvo el valor máximo de escurrimiento (87%), como se muestra en la Figura

3.5, y se calcula en el Cuadro 3.6.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00

Tiem po

Prec

ipita

ción(

mm

/10m

in)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

En Canoa FP A=15ha

Escu

rrim

iem

to(m

m/1

0min

)

Lluvia Escrimiento

tc:Tiempo de concentración de flujo

re: Intencidad media efectiva

Qp:Punta de flujo

Precipitación Escrrimiento

Figura 3.5. Pluviométrico y gráfico hidráulico en San José.

Cuadro 3.6. Muestra el cálculo del coeficiente máximo de escurrimiento.

No.re Qp ‚”‚� R=Σ‚’ r=R/‚”‚�*10 ‚†‚�=re/r

(mm/10min) (m3/s) (min) (mm) (mm/10min) %1 31-May 2002 1.19 0.30 150 26.0 1.73 69%2 28-Aug 2001 1.08 0.27 10 1.6 1.60 68%3 22-Jul 2002 1.04 0.26 70 9.4 1.34 77%4 20-Jul 2001 0.73 0.18 90 7.6 0.84 87%5 16-Jul 2001 0.65 0.16 80 8.2 1.03 63%6 23-Jul 2002 0.55 0.14 60 3.8 0.63 87%7 23-Jul 2002 0.55 0.14 50 3.4 0.68 81%8 15-May 2002 0.52 0.13 60 16.8 2.80 19%9 23-Jul 2002 0.52 0.13 80 5.4 0.68 78%

10 20-Jul 2002 0.40 0.10 120 7.8 0.65 62%11 25-Aug 2001 0.37 0.09 160 18.0 1.13 33%12 26-May 2002 0.33 0.08 40 9.2 2.30 14%13 23-Jul 2002 0.30 0.08 40 3.6 0.90 33%14 6-Jun 2002 0.26 0.07 110 6.4 0.58 45%15 20-Jul 2001 0.20 0.05 70 3.4 0.49 42%16 7-Jun 2002 0.18 0.04 60 3.4 0.57 32%17 26-Jul 2002 0.17 0.04 60 6.6 1.10 16%18 29-Jul 2002 0.16 0.04 70 3.8 0.54 29%19 27-Jun 2002 0.13 0.03 130 11.6 0.89 15%20 26�27-May 2001 0.10 0.03 150 6.3 0.42 24%21 29-Jul 2002 0.09 0.02 100 5.0 0.50 18%22 27-Sep 2001 0.02 0.00 20 1.2 0.60 3%23 25�26-May 2001 0.01 0.00 300 13.6 0.45 3%24 27-Sep 2001 0.01 0.00 160 8.0 0.50 1%

Preciptacióndurante tp

Intensidad deprecipitacióndurante tp

Nota : Lugar : Canoa FP

Coeficientede tasa

máxima deescurrimientoFecha

La intensidadmedia

efectiva de laprecipitación

Tasa máximade

escurrimiento

Tiempo deconcentración

del flujo

3.4.6 Protección del talud de aguas abajo

El talud de aguas abajo de una presa homogénea, se debe proteger contra la erosión y el

escurrimiento pluvial, este resguardo contra las inclemencias del tiempo, se realiza revistiendo el

muro con rocas, rodados o pasto, dependiendo de la situación particular de cada caso, es así, como

en lugares demasiado áridos se prefiere el recubrimiento con una capa de rocas de 12 plg de espesor

aproximado, a una cubierta vegetal, aunque el costo sea mayor. Si la elección después de analizar la

situación, fuese el revestimiento con cubierta vegetal, comúnmente pasto, este se debe elegir de

acuerdo al lugar y condiciones meteorológicas, considerando que la capa protectora debe ser lo mas

compacta y uniforme posible.

3.5 MANTENIMIENTO

3.5.1 Mantenimiento y control de las funciones

Para utilizar la presa en forma eficiente y por largo tiempo, es importante que exista un control y

mantención de la obra por parte de los usuarios, controlando las fugas de agua, reparando grietas

superficiales, tanto en el muro de contención como en la zona de inundación, reparando las obras de

toma ,desagüe y eliminando los sedimentos arrastrados por las precipitaciones y depositados en la

presa.

Si al realizar estudios preliminares se llega a la conclusión que existen muchos sedimentos

arrastrados por el agua, que entran al depósito, afectando esencialmente las funciones de

almacenamiento y la toma de agua, se deberá instalar barreras de contención de estos residuos o

estanques desarenadores, por ultimo una medida efectiva contra la erosión y evaporación excesiva

es reforestar alrededor del embalse, con especies típicas del lugar, para afecta r lo menos posible el

medio ambiente del sitio en que se encuentra la obra.

3.5.2 Recuperación de las funciones de un embalse

Cuando el embalse presenta problemas de funcionamiento, lo que va a ocurrir en algún momento, sin

lugar a dudas, es necesario tomar medidas tendientes a recuperar estas funciones por medio de

trabajos de reparación (Figura 3.6). A continuación, se presentan ejemplos de problemas comunes en

una presa y como reconocerlos.

3.5.2.1. Fugas desde la presa y otros

Las fugas de agua pueden generarse en cualquier punto, las mas comunes se presentan en los

límites de la presa con el lecho de fundación o con el terreno primitivo de las riberas, también son muy

frecuentes que ocurran, en las instalaciones transversales de la presa, como es el conducto de

transmisión u obra de toma, en el vertedero y en el desague. En los lugares donde se ven fugas

localizadas, la posibilidad de que ocurra una tubificación es alta, por lo cual es necesario tomar

medidas urgentes. Como límite tolerable a estas fugas existen varios criterios que permiten decidir el

momento para reparar.

a. Si la fuga de agua excede los 60 l/min por cada 100m de presa (cuando el coeficiente de

permeabilidad es mayor a 1×10-3cm/s y si el gradiente hidráulico es 1 y la profundidad de exudación

es de 1m.

b. Si la capacidad de almacenamiento de agua, función esencial del embalse, ha disminuido

notablemente causando problemas para su utilización.

c. Si la cantidad de agua se reduce más de un 10% por mes, cuando el nivel del agua almacenada

debiera ser constante.

3.5.2.2. Grietas y deformaciones en la presa

Las fugas de agua ocasionan tubificación originando grietas en el muro. Existen varios tipos de

grietas, siendo la mayoría de ellas de alrededor de 3 a 5 cm de ancho, alcanzando rara vez los 15cm.

Cuando la sección de la presa está deformada más de un 5% en la proporción de la superficie original,

se necesita un estudio de reparación .

3.5.2.3. Falta de borde libre o revancha de la presa

En cuanto a la falta del borde libre, se planea bajar el nivel de inundación de diseño por medio del

mejoramiento de la función del vertedero, o simplemente realizar la sobre-elevación de la presa.

3.5.2.4. Inestabilidad de la presa

La reparación de la obra es apropiada cuando el muro se vea debilitado, ya sea el talud de aguas

arriba por el oleaje y el de aguas abajo por fugas, erosión, roturas en las obras de protección o

revestimiento, el ancho de la coronamiento sea insuficiente y cuando el cualquiera de los dos taludes

tenga una pendiente pronunciada, la que es sinónimo inequívoco de inestabilidad.

3.5.2.5. Ubicación de la línea de saturación

Cuando la línea de saturación se asome en el talud de aguas abajo a una ubicación relativamente alta,

también se necesita estudiar la reparación juzgando globalmente en consideración del volumen de la

fuga antes mencionado.

3.5.2.6. Caída de la función del vertedero o insuficiencia de la sección hidráulica transversal

La mayor causa del derrumbes de los embalses, es cuando se producen derrames de la presa debido

a la insuficiente capacidad de desague del vertedero, momento en que se debe reparar o recalcular,

para que cumpla su función.

3.5.2.7. Deterioro de las funciones de las instalaciones de toma de agua

Las instalaciones de toma de agua posee defectos en su funcionamiento generalmente por la rotura

del conducto de transmisión , lo que implica perdidas de agua, al igual que fallas en compuertas y

válvulas, debiendo ser reparadas.

3.5.2.8. Mal funcionamiento en los equipos de control de seguridad

En el caso de que los guinches de las compuertas, los instrumentos de medición enterrados en la

presa, los medidores de observación hidrológica, los dispositivos de eliminación de maderas flotantes,

o los equipos de alarma necesarios para garantizar la seguridad del embalse contra inundaciones,

tengan mal funcionamiento o fallas, implica urgentemente reparaciones.

(d) Sección deformado (c) Grieta / hoyo

(b) Socavación Rotura en el pie

(a) Fuga

(e) Falta de borde libre

Figura 3.6. Estados de la presa que necesitan reparaciones.

3.6 RESUMEN

El costo total referente a la construcción de un embalse, varía mucho según los materiales de

construcción ocupados y al tamaño de la obra. La comparación económica entre estas presas y los

pozos de poca profundidad, muestran una inversión inicial mucho mas baja en estos últimos, por ello,

es indispensable que después de la construcción de estas obras sean ocupadas eficientemente y por

mucho tiempo, amortizando los costos fijos incurridos en la construcción. Además del control y

mantenimiento adecuado por parte de los usuarios, deben realizarse trabajos de reforestación en la

zona, para minimizar los cambios medioambientales y prevenir la erosión del suelo, disminuyendo los

sedimentos en la zona de inundación. Se debe tener claro que un programa de utilización de aguas,

dependiente solamente de un embalse, es una decisión muy arriesgada, por lo tanto es importante

estudiar un programa de utilización de aguas donde se empleen además del embalse los pozos de

aguas subterráneas superficiales que se encuentren en el sector.

Para la realización de este tipo de construcciones, cada agricultor tiene diferentes condiciones

topográficas y fuentes de agua, por lo tanto cada diseño e instalación es única y particular.

3.7 BIBLIOGRAFÍA

Instituto Japonés de Riego y Drenaje, 1988. Manual de ingeniería en Riego y drenaje, Presa de Tierra.

Instituto Japonés de Riego y Drenaje. 1996. Manual de ingeniería en Riego y drenaje, Conservación

de Tierras Agrícolas.

Instituto Japonés de Riego y Drenaje, 1993. Manual de ingeniería en Riego y drenaje, Drenaje.

Kobayashi, T. 2002. Informe del Especialista en Construcción de embalse (Experto Corto plazo)

Lepe, José L. Diseño de presas pequeñas, Una publicación técnica de recursos hidráulicos.

Ministerio de Obras Públicas. 2001. Manual de carreteras, Volumen No. 2 Procedimiento de estudios

viales,

Oficina de Kinki Regional de Ministerio de Agricultura, Silvicultura y Pesquería. 1996. Construcción

y Mejoramiento de Presas de Tierra.

Okuda, Y. 2002. Informe del Especialista en Conservación de agua (Corto plazo)

Sociedad Japonesa de Ingeniería Agrícola, 2000. Guía para Diseño del Proyecto de Mejoramiento del

Suelo, Consolidación del Embalse.

CAPÍTULO 4

RECARGA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS EN EL SECANO DE NINHUE

Autores: Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS José Luis Arumi, Ing. Civil, PhD. Luis Salgado S., Ing. Agrónomo, PhD. Liubow González, Hidrogeologo, MS. Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS© Consultores Técnicos: John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD. David Rupp, Forestry MSc.

RECARGA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS EN EL SECANO DE NINHUE 4.1 INTRODUCCIÓN El Secano Interior de Chile, donde se ubica la cuenca San José, es una zona que se caracteriza

por la baja disponibilidad de agua, siendo este un aspecto relevante para el desarrollo de la zona.

Puesto que la principal fuente de agua corresponde a recursos subterráneos, en este estudio se

cuantificó la recarga para conocer su potencial en esta zona.

El estudio se realizó en la unidad vertiente oriental de la Cordillera de la Costa, en la provincia de

Ñuble, VIII región, Chile (Figura 4.1).

Figura 4.1. Plano de ubicación de la zona del estudio.

La zona se caracteriza por suelos graníticos con un alto nivel de degradación, lo que limita la

capacidad de infiltración y de retención de agua, afectando fuertemente la recarga de las aguas

subterráneas y la hidrología superficial. En el área de estudio, el acuífero se recarga por la

infiltración del agua de lluvia, de modo que su régimen se relaciona estrechamente con los montos

pluviométricos anuales. Utilizando método de balance de cloro se han obtenido 27,4 mm/a de

infiltración neta (González et al., 1999).

El clima es de tipo mediterráneo marino, según clasificación de Papadakis (Del Pozo, 1999). Según

información meteorológica de la estación San Agustín de Puñual, perteneciente a la Dirección

General de Aguas, ubicada a unos 7 km del área del estudio, la precipitación media anual es de

814 mm/año (1993-2000), concentrada en los meses de invierno. Por otra parte, en los meses de

verano las temperaturas son elevadas y la evaporación potencial alcanza niveles de 5.79 mm/dia.

El clima es apto para diversos cultivos, tales como vides, pistachos, olivos y otros, los cuales se

ven limitados por la escasez del agua.

El estudio se realizó en dos sub-cuencas ubicadas dentro de la cuenca San José, en el secano

interior de la VIII región, en la comuna de Ninhue, donde se realizaron los balances hidrológicos a

nivel del suelo, cuantificando sus componentes: precipitación, evapotranspiración, escorrentía

superficial y percolación. Esta última puede ser considerada como la recarga de las aguas

subterráneas, parte de la cual es extraída con fines de consumo doméstico y, en menor escala,

para riego, mediante pozos noria. Se ha estimado que los pozos noria captarían menos de 1.5

mm/año en la cuenca San José (Pérez, 2001).

El balance hidrológico mensual se realizó utilizando una variación de la metodología de

Scozzafava (2001) quien propuso una combinación de las metodologías de Thornthwaite y Curva

Número para discriminar entre escurrimiento superficial e infiltración neta. Scozzafava simuló la

escorrentía utilizando el método de la Curva Número, mientras en este estudio la escorrentía

superficial correspondió a mediciones de campo. Alternativamente a los balance hidrológicos se

realizaron estudios de recarga basados en las variaciones del nivel freático, determinando áreas de

acumulación que corresponden a las partes bajas, cercanas a los esteros.

El objetivo de este estudio fue realizar una estimación de la recarga por lluvia para cuantificar la

disponibilidad potencial de aguas subterráneas posibles de ser extraídas por pozos noria.

4.1.1. Antecedentes del Problema

Diversos factores tales como el clima, las características geológicas, el suelo y el nivel de

degradación antrópica existente en la zona del estudio influyen sobre la disponibilidad de agua, lo

que constituye un problema para sus habitantes. Actualmente las fuentes de captación de agua

son pozos noria de baja capacidad que permiten extraer en promedio 460 l/día. Sin embargo es

posible una disponibilidad potencial de recursos hídricos subterráneos lo que haría posible

aumentar la cantidad de agua útil para consumo doméstico y riego, permitiendo mejorar la calidad

de vida de los agricultores.

En este estudio se estimó la disponibilidad potencial de agua subterránea, cuantificando la recarga,

paso previo a la toma de decisiones sobre construcción o mejoramiento de pozos noria.

4.1.2. Zona del Estudio

La cuenca San José (36° 24’ lat. Sur y 72° 30’ long. O) tiene una superficie de 10.57 km2 y dentro

de ella se seleccionaron dos sub-cuencas en las cuales se realizaron balances hidrológicos (Figura

4.2). En el Cuadro 4.1 se hace una caracterización física de las dos sub-cuencas analizadas y de

la cuenca San José. En el sector del estudio al igual que en las sub-cuencas existe una diversidad

de uso de suelos cuya distribución se presenta en la Figura 4.4 y Cuadro 4.2.

Cuadro 4.1. Caracterización física de las sub-cuencas 1 y 2.

Característica

Unidad Sub-cuenca 1 Sub-cuenca 2 Cuenca San

José

Area km2 7.252 0.142 10.569

Perímetro m 12,850 1,595 14,220

Elevación min. m 55 95 42

Elevación max. m 230 144 230

Longitud del cauce

Principal

km 3.830 0.530 5.440

Pendiente del cauce

Principal

m/m 0.0193 0.056 0.015

Zona de Acumulación Km2 0.93 0.023

725094 m E

720777 m E

5970020 m N

5966207 m N

$T

$T

$T

$T

$T

$T

$T

$T

$T$T

$T

$T $T$T$T

$T

$T

$T$T

$T

$T$T$T$T $T$T

$T$T

$T

$T

$T

$T

$T$T$T $T$T

$T$T

$T$T

$T$T

$T$T

$T$T$T

$T$T$T

$T$T

#

#S

#S

#S

#S

#S#S #S

#S

#S

#

#

#S#S

#S

#S

#S

#S

#S

#S

#

#S

#S

#S

#S

#S

1 0 1 kilómetros

Cuenca San JoseSub-cuenca 1Sub-cuenca 2Sub-cuenca 3

$T Pozos NoriaRed Drenaje

Cond. Hidraulica Ks# 4 - 10#S 11 - 38#S 39 - 149#S 150 - 258#S 259 - 514

N

4. 2. Cuenca San José y sub-cuencas 1, 2 y 3, indicando ubicación de pozos noria y puntos y red de drenaje.

4.2 MATERIALES Y MÉTODOS 4.2.1. Método del Balance Hidrológico El balance hidrológico derivado de modificaciones del método Thornthwaite (Scozzafava, 2001) se

puede resumir en la siguiente ecuación:

θi = θi -1 + Pi – Ei - ETri - PERi (1)

Donde θi y θi –1 corresponden la humedad final del mes i e i-1, respectivamente; Pi es la

precipitación, Ei la escorrentía superficial, ETri la evapotranspiración real, y PERi la percolación.

Todas las variables durante el mes i (Or and Hanks, 1992 citado por Vela, 2001). La percolación

en este caso puede ser considerada como recarga directa, puesto que se asume que no existen

aportes externos de otra sub-cuencas ni de cursos de agua.

4.2.2. Evapotranspiración La ETr se produce como la totalidad o parte de la evapotranspiración de cultivo (ETc),

dependiendo de la disponibilidad de agua en el suelo. La ETc utilizada en el balance se obtuvo

como una ponderación de las ETc considerando las áreas de cada uso de suelo (Cuadro 4.2). Los

usos de suelo de la zona son trigo, barbecho, pradera natural, forestal y cárcavas (consideradas

como forestal). La ETc ha sido utilizada en balances hidrológicos (Vela, 2001) estimándola para

diferentes cultivos a partir de coeficientes de cultivo Kc (Jara, 1998) y evapotranspiración de cultivo

de referencia ETo:

ETc = Kc * ETo (2)

Cuadro 4.2. Distribución de uso de suelo en las sub-cuencas 1 y 2.

Sub-cuenca 1 Sub-cuenca 2

Uso Suelo Area (m2) % Area (m2) %

Forestal 733,045 10 62,250 38

Forestal Carcava 1,202,810 17 46,625 28

Barbecho 353,043 5 13,100 8

Trigo 744,484 10 13,100 8

Pradera Natural 4,146,220 57 26,200 16

Infraestructura 72,521 1 2,500 2

Total 7,252,123 100 163,750 100

El punto crítico en los métodos de balance es la estimación de ETo. El método de Penman-

Montheith es considerado uno de los más adecuados para este tipo de estudios (Jensen et al,

1990, citado por González de Aguilar, 1997).

Además se consideró la estimación de ETc con restricción de humedad en el suelo en forma

mensual (Dick, 1983, citado por Shuttleworth, 1993, en Maidment, 1993).

ETc = f (θ) * Kc * ETo (3)

Donde

θ - θw

f (θ) = ---------- (4)

θf - θw

donde θ es el contenido de humedad del suelo; θw es el contenido de humedad en Punto de

Marchitez Permanente (PMP); θf es el contenido de humedad en Capacidad de Campo (CC). Este

tipo de estimación también es mencionado por Millar (1993).

La evapotranspiración forestal se estimó como:

ETf = 0.8 ETo + αi * P mm/día (5)

0.95 Ns (S + 0.2 τs)

αi * P = -------------------------- (6)

Nd

Ns es el número de tormentas en el período de Nd días y τi es su duración promedio (en h). S es la

capacidad de intercepción de las tormentas (1.2 mm para coníferas) (Shuttleworth, 1993, en

Maidment, 1993).

4.2.3. Modelo Hidrológico Como se observa en la Figura 4.5 el balance hidrológico se efectuó suponiendo que existen dos

elementos de almacenamiento de humedad en la cuenca: el suelo (horizontes A y B) y un

almacenamiento subterráneo. Cada uno de estos elementos se modeló como un estanque.

Figura 4.5. Modelo del Balance Hidrológico utilizado.

De acuerdo a análisis físico-hídricos realizados en calicatas la capacidad de almacenamiento de

agua en el suelo (HMAX) es de 150 mm (16% de humedad volumétrica a PMP y 31% de humedad

volumétrica a CC). En el modelo se ingresa una humedad inicial θ0 de manera que sea igual a la

humedad θ12. (humedad final del mes 12).

El procedimiento se repite para 12 meses haciendo variar i de 1 a 12, desde febrero de 2001 a

enero de 2002. Se consideró adecuado iniciar y terminar el período del balance hidrológico

durante una época cuando el suelo posee muy poco contenido de humedad según lo sugerido por

Custodio y Llamas (1983).

4.2.4. Algoritmo del Balance Hidrológico Para el cálculo de las variables incluidas en el modelo se utilizó el algoritmo presentado en el

diagrama 4.1.

INICIO

θi−1 + Pi - Ei > ETci

ETri = ETci

SI

NO

0<θi−1 + Pi - Ei < ETci

SI

ETri = ETci * f(θi) ETri = 0

PERi = θi - HMAX

θi > HMAX

SI

θi = 0

NO

PERi = 0

0<θi < HMAX

SI

NO

θi = θi−1 + Pi - Ei - ETri

θi = HMAX

Ai = Αi-1 + PERi

NO

Ai = Αi-1 + θi

i >12

i = i + 1

INGRESAR θ0 Y HMAX

LEER Pi, Ei, ETci,

FIN

NO

Diagrama 4.1. Diagrama de flujo del modelo utilizado.

4.2.5. Mediciones Durante más de un año se realizaron mediciones de precipitación, escorrentía superficial y presión

atmosférica. Además se contó con registros diarios de radiación solar, velocidad del viento,

temperatura ambiental y humedad relativa de una estación meteorológica ubicada cerca de la

zona de estudio (lat. 36° 31’ S y long. 72° 22’ O) que permitió estimar la evapotranspiración de

cultivo de referencia (ETo) utilizando el método de Penman-Montheith.

Las mediciones de precipitación fueron realizadas con tres pluviómetros marca Davis, tipo II, con

un datalogger Hobo, y software para manejo de datos es el BoxCar Pro v.3.51, lo que permitió

tener información con sensibilidad de 0.2 mm.

La escorrentía superficial en la sub-cuenca 1 se midió con una canoa Santa Rita (Smith, 1982)

implementada con medidores de presión Diver, uno sumergido para medir presión por carga de

agua y presión atmosférica, y otro fuera para medir presión atmosférica y obtener el nivel de agua

por diferencia. El software de manejo de datos del Diver es el EnviroMon v 1.4. La escorrentía

superficial en la sub-cuenca 2 se midió utilizando una canoa de fondo plano de 0.4 * 1.8 m

(Valenzuela, 1997) y un sensor de nivel de agua modelo MiniTroll marca In situ y software Win-situ.

En ambos casos los registros se realizaron cada 5 minutos.

La ubicación de los puntos aforo y de los pluviómetros en las sub-cuencas se presentan en la

Figura 4.2.

Las mediciones de áreas de las sub-cuencas y de los diferentes tipos de uso de suelo se realizaron

digitalizando fotos aéreas escala 1:20,000 en Cartalinx y procesando la información en ArcView.

4.2.6. Método de la variación del Nivel Freático Basado en la topografía, cobertura vegetal, ubicación de pozos norias y en otros estudios en los

cuales se realizaron prospecciones geofísicas, fue posible ubicar y dimensionar las “zonas de

acumulación” en las sub-cuencas 1 y 2, que son las zonas bajas correspondientes a depósitos

sedimentarios de material arrastrado por el agua (Figura 4.3). Es en estos lugares donde se

ubican la mayoría de los pozos noria de la cuenca San José. Los pozos noria fueron

georreferenciados y en 20 de ellos se realizaron mediciones del nivel freático cada dos semanas y

en algunos casos se utilizaron sensores de nivel DIVER para tener registros continuos. Con esta

información se pudo obtener la variación de nivel del agua para estimar la recarga.

Figura 4.3. Ubicación de pozos noria en sub-cuencas, zona de acumulación y red de drenaje.

Figura 4.4. Usos de Suelo existentes en las sub-cuencas del estudio.

De pozos noria en construcción se extrajeron muestras de suelo para conocer la textura, y en base

a ella obtener la porosidad eficaz, según el triángulo de clasificación de suelos con isolíneas de

porosidad eficaz (Custodio, 1983). En acuíferos libres la porosidad eficaz es semejante al

coeficiente de almacenamiento (S), por lo tanto es posible usar este parámetro.

A partir de la proporción de área de acumulación de agua respecto al área total de las cuencas y el

almacenamiento (S) se pudo obtener un valor de recarga anual que entregó una estimación

adicional de la recarga obtenido por el método del balance hidrológico.

4.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados de los balances hidrológicos mensuales de ambas sub-cuencas se presentan en las

Figuras 4.6 y 4.7 y Cuadro 4.3.

0

50

100

150

200

250

Lám

ina

(mm

/mes

)

feb-

01

mar

-01

abr-

01

may

-01

jun-

01

jul-0

1

ago-

01

sep-

01

oct-0

1

nov-

01

dic-

01

ene-

02

Meses

Cuenca 1

ETr E P ETo

Figura 4.6. Resultado del Balance hidrológico en sub-cuenca 1.

0

50

100

150

200

250

Lám

ina

(mm

/mes

)

feb-

01

mar

-01

abr-

01

may

-01

jun-

01

jul-0

1

ago-

01

sep-

01

oct-0

1

nov-

01

dic-

01

ene-

02

Meses

Cuenca 2

ETr E P ETo

Figura 4.7. Resultado del Balance hidrológico en sub-cuenca 2.

Según los resultados obtenidos, el comportamiento hidrológico de ambas sub-cuencas resultó

semejante. La ETo fue alta durante el período de primavera-verano, sin embargo la ETr resultó

baja debido a la poca disponibilidad de agua en el suelo. La distribución mensual de la escorrentía

superficial presentó diferencias entre ambas sub-cuencas como se observa en las Figuras 4.6 y

4.7. Las precipitaciones ocurridas durante los meses de marzo y abril, posteriores al período seco,

no produjeron escorrentía superficial, por ser consumidas por el suelo, y sólo en mayo comenzaron

los flujos de agua en los esteros. La información en forma acumulada se presenta en las figuras

4.8 y 4.9.

Figura 4.8. Componentes del balance presentados en forma acumulada para la sub-cuenca 1.

Figura 4.9. Componentes del balance presentados en forma acumulada para la sub-cuenca 2.

Con el método del balance de masa puede estimarse la ETo con cierto error, que frecuentemente

puede alterar el cálculo de la recarga (Samper, 1997, en Custodio, 1997). Se observó que la PER

fue del orden de 6% o inferior, respecto a la precipitación acumulada anual (Figura 4.10 y Cuadro

4.3).

Cuadro 4.3. Resumen anual de los balances. Evapotranpiración real (ETr), Precipitación (P), Escorrrentía Superficial (E) y Percolación (PER).

ETr P E PER

Cuenca 1 mm/año 270,7 627,8 337,5 19,6

% de P anual 43,1 100,0 53,8 3,1

Cuenca 2 mm/año 258,7 631,8 349,5 23,7

% de P anual 40,9 100,0 55,3 3,7

0

1

2

3

4

5

6

7

80% 85% 90% 95% 100% 105% 110% 115% 120%

% variación del parámetro

Perc

olac

ión

(% d

e P)

ETo - Sub-cuenca 1 ETo - Sub-cuenca 2 Hmax - Sub-cuenca 1 Hmax - Sub-cuenca 2

Figura 4.10. Análisis de sensibilidad de PER con respecto a valores de Hmax y ETo ingresados al modelo para las dos sub-cuencas.

La estimación de ETo se realizó en base a datos meteorológicos y patrones de cultivo cuyas áreas

fueron medidas en las sub-cuencas. Por no disponer de datos reales de consumo de agua de

plantas en la zona, se realizó un análisis de sensibilidad del balance hidrológico con respecto a

ETo considerando una variación de +10% de los valores mensuales, obtenidos a partir de la

sumatoria de información diaria estimada por método de Penman-Montheith. Los resultados

indicaron PER entre 2% y 5% (Figura 4.10).

Otro factor de error del balance hidrológico es la capacidad de almacenamiento de agua del suelo

(Hmax). En este trabajo se utilizó un Hmax de 150 mm correspondiente a un promedio de estudios

de suelo realizados en las sub-cuencas. La sensibilización de la PER con respecto a Hmax

considerando una variación de este parámetro de +10% mostró cambios en los resultados de la

PER de 1% a 5,7% de la precipitación acumulada anual.

Las estimaciones realizadas indican que gran parte del agua que no escurre es evapotranspirada,

en valores sobre el 40% de la precipitación anual (Cuadro 4.3). El coeficiente de escorrentía

resultó mayor al 50%, lo que está asociado al alto nivel de degradación de los suelos del secano

de la provincia de Ñuble, los cuales han perdido capacidad de retención de humedad y de

infiltración.

De pozos noria en construcción se extrajeron muestras de suelo las cuales resultaron en texturas

franco-arcillo-arenosas, franco-arenosas y francas, cuyas porosidades eficaces se encuentran

entre 0,1 y 0,15, según triángulo de clasificación de suelos con isolíneas de porosidad eficaz

(Custodio, 1983), sin embargo los valores podrían se menores en el suelo no disturbado in situ.

Por ellos se asumió el valor más bajo, es decir 0,1.

A partir de la proporción de las áreas de acumulación de agua respecto al área total de las cuencas

y el almacenamiento (S) se pudo obtener un valor de recarga anual que entregó una estimación

adicional de la recarga obtenido por el método del balance hidrológico.

El análisis de la variación del nivel freático (Figura 4.11) entregó los resultados que se presentan

en el Cuadro 4.4.

Figura 4.11. Variación del nivel freático en pozos noria.

Cuadro 4.4. Resumen de estimación de recarga de aguas subterráneas por variación del nivel freático.

Sub-cuenca 1

Sub-cuenca 2

Sub-cuenca 3

Area Acumulación (%) 12,80 16,20 12,80

Variación Nivel (m) 1,58 1,26 1,27

Almacenamiento (%) 10,00 10,00 10,00

Recarga (mm) 20 20 16

4.4. CONCLUSIONES

Este trabajo aportó información inexistente a nivel de sub-cuencas pequeñas, representativas del

secano interior en el área centro-sur de Chile. Se pudo llegar a una cuantificación de las variables

incluidas en el balance hidrológico, que si bien son al nivel de estimación, permiten realizar análisis

sobre bases más sólidas. En la actualidad se extraen menos de 1,5 mm/año de agua subterránea

mediante pozos noria, principalmente con fines domésticos. De acuerdo a la estimación realizada

mediante balance hidrológicos la recarga varía entre 3% y 4% de la precipitación anual, con un

mínimo de 1 %. Esto corresponde aproximadamente a 22 mm/año, con un mínimo de 6,3 mm/año.

Por otra parte la estimaciones de recarga basadas en la variación del nivel freático medido en

pozos noria entregó resultados similares entre 16 mm/año y 20 mm/año. Es decir, existe un

potencial de aguas subterráneas para pozos noria, que podría al menos triplicar el agua utilizada

actualmente.

4.5 BIBLIOGRAFÍA Custodio, E., M. R. Llamas, J. Samper, La evaluación de la recarga a los acuíferos en la Planificación Hidrológica., Asociación internacional de Hidrogeólogos, Grupo Español, Enero de 1997, Las Palmas de Gran Canaria, 455 pp. Custodio, E y M. R. Llamas. Hidrología Subterránea. Editorial Omega, Segunda Edición, Barcelona, 1983, 2350 pp. Del Pozo, A y P. Del Canto, Areas Agroclimáticas y sistemas Productivos en la VII y VIII regiones,INIA Quilamapu, Serie Quilamapu N° 113, 1999, Chillán, Chile, 116 pp. Jara, J. y A. Valenzuela, 1998, Necesidades de Agua de los Cultivos, Boletín Comisión Nacional de Riego (CNR) y Universidad de Concepción, 1998, Chillán, Chile, 26 pp. González L., Mardones M., A. Silva y E. Campos, “Hidrogeoquímica y comportamiento del agua subterránea en la cuenca del río Claro, Región del Biobío, Chile”, Revista Geológica de Chile, Vol. 26, N° 2, diciembre de 1999, Santiago, Chile, pp. 145-157. Gonzalez de Aguilar, A., La evaluación de los recursos hídricos en la planificación actual: credibilidad y medios, Seminario La evaluación de la Recarga a los Acuíferos en la Planificación Hidrológica, Asociación internacional de Hidrogeólogos, Grupo Español, Las Palmas de Gran Canaria, España. Enero de 1997, 305-313. Maidment, D. R., Handbook of Hydrology, McGraw-Hill, USA, 1993. Millar, Agustín, Manejo de Agua y Producción Agrícola, IICA y Universidad de Concepción, Chile, 1993, 556 pp. Pérez C. et al, Estudio Línea Básica Comuna de Ninhue, informe técnico, Proyecto CADEPA, Chillán, Chile, 2001, 189 pp. Samper, J., Métodos de Evaluación de la Recarga por lluvia por balance de agua: Utilización, Calibración y Errores, Seminario La evaluación de la Recarga a los Acuíferos en la Planificación Hidrológica, Asociación internacional de Hidrogeólogos, Grupo Español, Las Palmas de Gran Canaria, 1997, pp. 41-81. Scozzafava, M and M. Tallini, “Net Infiltration in the Gran Sasso Massif of Central Italy using the Thornhwaite water budget and curve-number method", Hydrogeology Journal, vol 9, 2001, pp. 461-475. Shuttleworth, W. J., Evaporation, En Maidment, D. R., eds, Handbooks of Hydrology, McGraw-Hill, USA, 1993., pp 4.1-4.53. Smith R. E., D. L. Chery, Jr., K. G. Renard, and W. R. Gwinn. Supercritical Flumes For Measuring Sediment-Laden Flow, Tech. Bul. Nº 1655, USDA, July 1982. Valenzuela, A., C. Crisóstomo, A. Alfaro y J. Quezada, Canoa Aforadora de Fondo Plano, boletín 53. Facultad de Ingeniería Agrícola, U. de Concepción, Chile, 1997, 23 pp. Vela, A., M. F. Mejuto y S. Castaño, Integración de un modelo de balance de agua en el suelo en un Sistema de Información Geográfica. Aplicación al cálculo de la recarga directa, Congreso Las Caras del Agua Subterránea, Serie Hidrogeología y Aguas Subterráneas 1/2001, Ministerio de Ciencia y Tecnología, España.

CAPÍTULO 5

ESTUDIO DE DISPONIBILIDAD DE AGUAS SUBTERRÁNEAS AL NIVEL DE

LA CUENCA DE SAN JOSÉ, NINHUE

Autores:

Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola

Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS

Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©

Consultores Técnicos:

John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD.

David Rupp, Forestry MSc.

ESTUDIO DE DISPONIBILIDAD DE AGUAS SUBTERRÁNEAS AL NIVEL DE LA CUENCA DE

SAN JOSÉ, NINHUE

5.1. INTRODUCCIÓN

Los hogares de los agricultores de la localidad de San José, comuna de Ninhue, generalmente se

ubican en las laderas de los cerros. El agua para consumo es bombeada desde pozos noria,

construidos por ellos mismos, generalmente en las quebradas cerca de las casas, durante los

períodos de sequía, cuando el nivel de aguas subterráneas es bajo, lo que facilita la excavación.

En estudios realizados en más de 100 pozos del sector San José, en donde se registraron sus

características físicas (diámetro, profundidad, profundidad del nivel freático, etc.), se pudo

observar que no existe una gran relevancia de las precipitaciones anuales sobre la variación

estacional del nivel freático, ya que aunque existan años secos, los niveles de los pozos se

recuperan, alcanzando el nivel máximo medido en época de lluvias, lo que lleva a concluir que

estas fuentes de aguas son relativamente estables y seguras.

Los resultados de las investigaciones anteriormente mencionadas, muestran que el nivel de las

aguas subterráneas se encuentra, en promedio, a menos de 5 m de la superficie y las fluctuaciones

estacionales (entre invierno y verano) no superan los 2 m en promedio. Comúnmente el nivel del

agua dentro de los pozos es de 1 m y la mayoría de ellos son de profundidades menores a 5m. La

excavación se podría realizar con equipos de perforación, extrayendo el agua a una mayor

profundidad, sin embargo debido a los bajos ingresos de los productores estas alternativas son

menos viables.

Actualmente, el principal uso de las aguas subterráneas es para consumo doméstico, alcanzando

100 L/día per cápita aproximadamente. Si consideramos un pozo por familia, teniendo en cuenta

que una familia promedio posee entre 4 a 5 personas, la cantidad de agua ocupada ascendería a

400 – 500 litro/día por cada pozo.

Es posible realizar cuantificaciones de recursos hídricos subterráneos a nivel de micro cuenca para

planificar su uso y además determinar la posibilidad de nuevas obras de captación.

El objetivo de este capítulo es mostrar el estudio de disponibilidad de aguas subterráneas realizado

en dos micro-cuencas modelo del sector San José, denominadas “La Unión” y “El Huerto”.

5.2. Balance Hídrico

El gran problema para el crecimiento de los cultivos del sector ocurre durante el verano, debido a

las pocas precipitaciones existentes en el lugar. Entre los factores favorables podemos destacar la

gran cantidad de horas de sol y temperaturas adecuadas para la agricultura. El promedio anual de

precipitaciones es de 775 mm (1993-1998), la que se concentra en el periodo Abril - Agosto. La

evapotranspiración potencial de los meses no lluviosos supera ampliamente el volumen de las

precipitaciones convirtiéndose así en un clima muy seco (Figura 5.1).

0

50

100

150

200

250

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Mes

mm

P recipitación (Sn. Agus tín de Pugnual 1993-1998)Evapotranspirac ion potencia l (Ninhue , CNR)

Figura 5.1. Precipitación y evapotranspiración potencial.

5.3. METODOLOGÍA

Para la estimación de la disponibilidad de agua subterránea en una micro cuenca se debe

considerar que existe una recarga, que en el caso de la zona del secano de Ninhue corresponde a

agua lluvia infiltrada, que percola hacia niveles profundos del suelo. La recarga asumida para las

condiciones de este estudio es de 30 mm anuales (4% de la precipitación), de acuerdo a los valores

obtenidos en estimaciones realizadas en dos cuencas del Sector San José, en Ñinhue (capítulo 4).

Sin embargo el agua disponible en la micro cuenca debe ser extraída mediante pozos o vertientes,

lo que requiere un análisis a una escala menor. A nivel de fuentes de agua, para estimar su recarga

potencial se debe considerar un área aportante de la fuente que va a depender de la topografía y

de la presencia de otras fuentes que podrían ser usadas en forma conjunta. Además se debe

estimar la capacidad potencial de la fuente de agua, es decir cuanta agua podrías ser extraída a

través de ella, para compararla con la recarga asignada a dicha fuente y de acuerdo a esto ver si

es posible la extracción total de la recarga o existe la posibilidad de construir nuevas obras de

captación.

5.3.1. Estimación del Área Aportante

Para estimar el área aportante de las fuentes de agua en primer lugar se georeferenciaron toda las

captaciones existentes en la micro cuenca. A partir de información topográfica se definieron

zonas que drenan hacia la fuente de agua, lo que permitió asignar un área a cada una de ellas. En

este estudio se utilizaron topografías con una equidistancia de 2.5 m, obtenidas a partir de un

estudio fotogramétrico. La información se georeferenció en coordenadas UTM, datum

Sudamericano 1969, huso 18.

5.3.2. Estimaciones del Rendimiento Potencial de las Fuentes de Agua

Los caudales de los pozos noria existentes en las micro cuencas se calcularon de acuerdo a un

modelo predictivo combinando el modelo de Rupp y la ecuación de Thiem (ver capítulo 6). Esta

metodología permitió conocer el caudal que es posible extraer de los pozos noria a partir de

información de diámetro, profundidad del pozo, profundidad del nivel freático en diferentes fechas,

y de pruebas de recuperación para estimar la conductividad hidráulica saturada.

5.3.3. Comparación de Recarga y Potencial de los Pozos Noria

Como se hizo mención anteriormente, se asumió un valor de recarga aproximada de 30 mm

anuales. A nivel de área aportante fue posible estimar una recarga por fuente de agua que

corresponde a los 30 mm, según la siguiente ecuación:

100030000.10 ∗∗= AapR

Donde:

R Recarga del Area de la fuente de agua (m3/año)

Aap Area aportante (ha)

Este volumen de recarga se pudo distribuir durante el año para cada fuente de agua y se comparó

con lo obtenido como extracción potencial de los pozo, de acuerdo al nivel de agua al interior de

ellos. Si el volumen recargado fue mayor que el potencial de la fuente de agua, se consideró

posible el aumento de la dotación de fuentes de agua en el área aportante, o el mejoramiento de

ella (por ejemplo, profundización). Si el volumen recargado fue menor que el potencial de la fuente

de agua, el agua captada por la fuente fue restringida a la recarga.

De acuerdo a esta información se obtuvo un plan de desarrollo de los recursos hídricos por micro

cuenca, que indica el agua posible de utilizar y la ubicación de nuevos pozos noria. Para la

localización de nuevos pozos noria se utilizó la metodología presentada en el capitulo 9, basada en

lineamientos para definir zonas de fractura, apoyado en información de variaciones del nivel

freático de los pozos.

5.4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se presentan los resultados para las dos micro cuencas del estudio, La Unión y el Huerto, de 82.5

ha y 40.5 ha, respectivamente.

El resultado de la localización de las fuentes de agua y la asignación de un área aportante se

presenta en las figuras 5.2 y 5.3. Se debe notar que la asignación de áreas comienza en las

zonas más elevadas de la micro cuenca, cuyas fuentes de agua podrían permitir la extracción del

agua antes que alcance los puntos más bajos. En el caso de las fuentes ubicadas a una menor

cota, que reciben el drenaje desde toda el área sobre ellas, se debe descontar el área aportante de

las fuentes de agua localizadas aguas arriba. En algunos casos existen fuentes de agua cercanas

que comparte un área aportante común.

Figura 5.2. Localización de fuentes de Agua y Areas aportantes en la micro cuenca La Unión.

Figura 5.3. Localización de fuentes de Agua y Áreas aportantes en la micro cuenca El Huerto.

Suponiendo que unos 30 mm de las precipitaciones recargan las aguas subterráneas (estrato de

granito meteorizado), se estimaron los volúmenes de recarga en la micro cuencas El Huerto y La

Unión, que fueron 33 y 68 m3/día en total respectivamente. Luego, se estimó el volumen máximo de

agua, para los pozos de la zona y considerando que cada agricultor podría poseer 1 ó 2 pozos en

su propiedad, se propuso la perforación de uno nuevo o la ampliación de los ya existentes para los

agricultores con poca disponibilidad de agua en su predio.

La información obtenida se resume en el cuadro 5.1, en la cual se detalla si el pozo existe o no, su

profundidad, la conductividad hidráulica saturada (Ks) obtenida mediante una prueba de

recuperación utilizando el modelo de Rupp, el área aportante y la capacidad potencial de los pozos

noria para entregar agua mensualmente y en la temporada de riego.

Si se considera la información anterior es posible estimar que en la micro cuenca La Unión y El

Huerto se podrían extraer 22 mm y 15 mm, respectivamente, durante la temporada de riego

(octubre a marzo). Estas cantidades incluyen agua de nuevos pozos en 27% y 3.5% para las

micro cuencas La Unión y El Huerto, respectivamente.

El volumen promedio de estos pozos es de aproximadamente 2.0 – 4.5 m3/día, los que equivalen

a 1 – 3 litros por minuto y hoy en día se utilizan aproximadamente 0.5 m3/día de agua por pozo para

consumo familiar. Es decir, existe la posibilidad de usar más agua.

Al realizar la construcción de un pozo nuevo, se consideró el impacto que produce el bombeo,

recomendándose separar a lo menos 50m un pozo de otro, en el sector en estudio.

5.4.1. Agua disponible y riego

Basándose en el volumen necesario para implementar un riego por goteo en los principales cultivos

de la zona, se estimó la superficie regable con los pozos norias existentes, para los sectores de La

Unión y El Huerto. Los resultados se resumen en el cuadro 5.2.

Cuadro 5.2. Superficie regable con pozos noria existentes en las micro cuencas.

Cultivo a regar La Unión El Huertoha ha

Solo Viñas 1,5 0,6 Solo Olivos 1,0 0,4 Solo Hortalizas 0,6 0,2

Las áreas posibles de ser regadas varían mucho, dependiendo de la capacidad de cada pozo. Es

así como en ocasiones, un solo pozo podría cubrir el 50% de la superficie mencionada en el cuadro

5.1.

Cuadro 5.1 Estimación de agua subterránea disponible

Existente/plan ks

cm/día Area ha m3/día m3/día m3/día m3/día m3/día m3/día m3/día m3/día- - - 0 0.7 - - - - - - - -

AM Existente 17 1.0 0.9 0.6 0.2 0.0 0.0 0.5SG Existente 68 5.2 5.3 5.0 3.0 1.8 1.5 3.6FS Existente 46 1.4 1.5 1.6 1.8 1.5 1.3 1.5EA Existente 134 4.1 4.1 4.2 4.2 3.0 2.6 3.7DM Existente 345 21.3 21.2 21.0 20.3 14.0 12.0 18.3EM Existente 67 4.5 4.4 4.1 2.9 1.8 1.4 3.2PA Existente 300 4.0 4.3 5.0 4.7 3.9 3.6 4.3

EM2 Plan 87 2.2 2.2 2.2 1.8 1.3 1.1 1.8PA2 Plan 87 4.7 4.5 4.0 2.7 1.5 1.1 3.1MG Existente 12 1.3 1.1 0.8 0.5 0.4 0.3 0.7CT Existente 8 3.0 2.3 1.4 0.8 0.4 0.3 1.4

CT2 Plan 87 5 2.7 2.3 2.3 2.3 2.3 1.5 1.1 2.0 2.0DM2 Plan 87 6 3.7 3.1 3.1 3.1 3.1 2.9 2.7 3.0 3.0MG2 Plan 87 7 9.0 7.6 7.6 4.8 2.7 1.5 1.1 4.2 4.2

82.5 65.7 64.7 60.2 51.0 35.4 30.1- - 0 5.7 - - - - - - - -

JG1 Existente 56 1.7 1.4 1.0 0.7 0.5 0.4 1.0JG2 Existente 23 0.9 0.6 0.4 0.2 0.1 0.1 0.4VA2 Plan 46 1.3 1.0 0.6 0.3 0.1 0.1 0.6AG Existente 40 1.4 1.4 1.5 1.2 1.0 0.9 1.2VA Existente 89 13.8 13.7 13.3 9.4 7.0 6.2 10.6EP Existente 23 3 7.5 4.5 4.0 3.4 2.8 2.4 2.3 3.2 3.2

40.5 23.5 22.1 20.1 14.6 11.1 9.9Nota) PrecPrecipitacion annual (promedio) : 775 mm, Porcentaje de recarga : 4% Agua disponible se calucla bomba puede usar 18hr por día. Ks en plan de los pozos es promedio de la cuenca.

La Unión

1 9.5 2.0

2 17.8 11.8

Total 17.0

El Huerto

4 9.5 2.1

Total 51.3

1 7.3 4.1

2 31.5 23.5

3 18.1 12.4

Feb Mar Promediooctubre-marzoOct Nov Dic EneMMC Agric. Cuenca de

los pozosPozos

La cuenca de La Unión posee una superficie de 82.5 ha. El volumen potencial de explotación de

aguas subterráneas de poca profundidad es de alrededor de 51m3/día, lo que significa el riego para

1 ha de olivos, aproximadamente. En general el volumen potencial de explotación de aguas a

través de los pozos norias, es menor a la capacidad de recarga que fluye en el acuífero. Como la

cantidad de agua varía según la época del año, el volumen disponible es mucho menor en la

temporada de riego. En el caso de La Unión, el volumen potencial de explotación de aguas, en

épocas de sequía (octubre a marzo) alcanza los 46m3/día aproximadamente. En la actualidad la

cantidad de agua ocupada para el riego de esta cuenca, asciende a unos 5m3/día, es decir, el

porcentaje de uso de los recursos hídricos es solamente el 10% del total del agua aprovechable

(Figura 5.4).

Recursos hídricos actuales Microcuenca : La Unión

‡ ”A1= 82.5 ha A1= 9.5 haA2= 0.1 ha ‡ ”A1= 9.5 haQ1= 4.7 m3/d A2= - haQ2= 45.9 m3/d Q1= - m3/d

9 pozos Q2= 2.1 m3/d2 pozos

A1= 0.7 ha A1= 10.0 ha A1= 44.2 ha A1= 18.1 ha‡ ”A1= 82.5 ha ‡ ”A1= 81.8 ha ‡ ”A1= 71.8 ha ‡ ”A1= 18.1 ha

A2= - ha A2= 0.1 ha A2= - ha A2= 0.0 ha

Q1= - m3/d Q1= 4.1 m3/d Q1= - m3/d Q1= 0.6 m3/dQ2= - m3/d Q2= 4.9 m3/d Q2= 29.0 m3/d Q2= 9.9 m3/d

2 pozos 3 pozos 2 pozos

A1= Cuenca de los pozos‡ ”A1= Area total de cuenca

A2= Area de riego actual

Q1= Cantidad de agua para A2 (promedio)Q2= Disponibilidad de agua (promedio)

Tiempo de riego : octubre - marzo

haNumero de Area

haha

m3/díam3/día

Area 2

Total

Area 3

Area 4

Area 1

Area

Sin usario

Est

ero

San

Jós

e

Figura 5.4. Estimación de agua subterránea actual.

Con Respecto a esto, considerando las condiciones topográficas, la existencia o no de pozos en

sus alrededores, la posibilidad de uso de estos y la construcción de 5 nuevas norias, el volumen

potencial de explotación de agua de los pozos en esta micro cuenca, sumarían en total 51m3/día,

disponibles para la temporada de sequía, cantidad que asegura el riego de 1.4 ha de olivos, pero

se debe recordar que se necesita agua para consumo, por lo que la capacidad de riego efectivo

llega a 32 m3/día, representando un 60% de la recarga total al acuífero. (Figura 5.5). De esta forma,

es posible elevar el rendimiento del uso de los recursos hídricos de la micro cuenca, aumentando

la superficie cultivada. La proporción entre superficie regable y la superficie de la cuenca es muy

baja, pero si se mejora el rendimiento en la producción y la calidad de los cultivos, con la

implementación de un sistema de riego tecnificado, significaría un mejoramiento directo en los

ingresos de los agricultores, permitiendo mantener una actividad agrícola estable.

Recursos hídricos disponibles Microcuenca : La Unión

2 pozos

‡ ”A1= 82.5 ha A1= 2.7 ha A1= 9.5 haA2= 1.4 ha ‡ ”A1= 2.7 ha ‡ ”A1= 9.5 ha 1 pozo(plan)Q1= 31.7 m3/d A2= 0.1 ha A2= 0.0 haQ2= 51.3 m3/d Q1= 1.3 m3/d A1= 3.7 ha Q1= 0.7 m3/d A1= 9.0 ha

14 pozos Q2= 2.0 m3/d ‡ ”A1= 3.7 ha Q2= 2.1 m3/d ‡ ”A1= 9.0 ha1 pozo(plan) A2= 0.1 ha A2= 0.1 ha

Q1= 2.5 m3/d Q1= 1.3 m3/dQ2= 3.0 m3/d Q2= 4.2 m3/d

1 pozo(plan)

A1= 0.7 ha A1= 7.3 ha A1= 31.5 ha A1= 18.1 ha‡ ”A1= 82.5 ha ‡ ”A1= 81.8 ha ‡ ”A1= 71.8 ha ‡ ”A1= 18.1 ha

A2= - m3/d A2= 0.1 ha A2= 0.7 ha A2= 0.3 haQ1= - m3/d Q1= 1.6 m3/d Q1= 16.7 m3/d Q1= 7.6 m3/dQ2= - m3/d Q2= 4.1 m3/d Q2= 23.5 m3/d Q2= 12.4 m3/d

2 pozos 3 pozos 4 pozos (plan:2)

A1= Cuenca de los pozos‡ ”A1= Area total de cuencaA2= Area de riego en caso de olivos (máxima)Q1= Cantidad de agua para A2 (promedio)Q2= Disponibilidad de agua (promedio)

Tiempo de riego : octubre - marzo

Area 6

Est

ero

San

Jós

e

Area 5

Numero de Area

Sin usario Area 1 Area 2

Total

Area

m3/díam3/día

ha

Area 4

Area 3

Area 7

ha

ha

Figura 5.5. Estimación de agua subterránea disponible.

5.5 CONCLUSIONES

La disponibilidad de aguas subterráneas es baja, sin embargo es posible aumentar su uso para

riego. Además se debe considerar que las fuentes subterráneas son seguras puesto que aún en

años poco lluviosos los pozos alcanzan niveles altos. Por otra parte, la cantidad de agua que

pueden aportar las fuentes es altamente variable.

Es posible realizar planes para el uso adecuado de las aguas subterráneas en fuentes existentes

y futuras, para lo que se debe diferenciar la calidad de las fuentes de agua, de tal forma que solo

las de mayor cuantía tengan fines de riego, mientras las de menor caudal pueden servir sólo con

fines de uso doméstico. Esto es posible de realizar utilizando la metodología aplicada en este

trabajo a través de las estimaciones de recarga y rendimiento del agua subterránea.

5.6. BIBLIOGRAFÍA

K. Takagi, Informe del Especialista en agua subterránea poca profunda (Corto plazo), 2003

CAPÍTULO 6

ESTIMACIÓN DEL RENDIMIENTO DE POZOS NORIA EN EL SECANO INTERIOR, COMUNA DE NINHUE

Autores: Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS

Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©

David E. Rupp, Forestry MSc. Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola

Consultores Técnicos:

John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD.

José Luis Arumi R., Ing. Civil, PhD.

ESTIMACIÓN DEL RENDIMIENTO DE POZOS NORIA EN EL SECANO INTERIOR-

COMUNA DE NINHUE

6.1 INTRODUCCIÓN El Secano Interior de la VIII Región se caracteriza por la escasez de agua durante los meses de verano,

dificultando el desarrollo de los rubros agrícola, industrial, y otras actividades.

La información obtenida en terreno señala que en la zona la principal fuente de recursos hídricos la

constituyen las aguas subterráneas no profundas, extraídas fundamentalmente mediante pozos noria,

los cuales son de bajo rendimiento debido a la pobre permeabilidad de los acuíferos y al alto grado de

degradación existente de los suelos. El número de pozos-noria en microcuenca San José, considerada

como base para este estudio, asciende a 70. Los pozos noria generalmente han sido construidos por los

propios agricultores, y solo alcanzan para abastecer el consumo doméstico. Información basada en

encuestas realizada en el Proyecto CADEPA señala que la extracción promedio es alrededor de 460

litros por día por pozo.

A pesar de la baja capacidad de aporte de agua de los pozos noria en el área, es necesario obtener

información cuantitativa en relación a su rendimiento real, tanto para pozos en forma individual, como a

nivel de cuenca. Estudios de aguas subterráneas realizados en el marco del Proyecto CADEPA indican

que aproximadamente 6 a 20 mm (Uribe, 2002) recargaron los acuíferos en la temporada 2001-2002,

constituyendo el tope para la extracción, cualquiera sea el tipo de fuente de agua. Por otra parte,

antecedentes de la cuenca de Buenos Aires, Portezuelo, cercana a San José, indican que los pozos se

recuperaron hasta el nivel habitual en el año 1998, con un cuarto de las precipitaciones promedio anual

(Selker et al., 2000). Esto ha sido corroborado en los estudios del proyecto CADEPA entre los años 2001

y 2004. Estos datos respaldan que la recarga segura de las aguas subterráneas en el Sector de San

José es del orden 20 mm.

Debido a lo anteriormente señalado, resulta de gran importancia para el mejoramiento de la calidad de

vida de los habitantes del secano interior, realizar un estudio acerca del rendimiento potencial de los

pozos noria en el área de estudio y su evaluación conjunta a nivel de cuenca. Predicciones de caudal en

los pozos-norias pueden ser realizadas a partir de la conductividad hidráulica saturada (Ks), obtenida

mediante ensayos de recuperación, y de las dimensiones de los pozos. Datos previos a este estudio

indican que la conductividad hidráulica de la zona saturada en la cuenca San José es del orden de 8 a

100 cm/día, lo que demostró que se puede mejorar la disponibilidad de agua en los pozos-norias

actuales.

En este estudio se realizó una estimación del rendimiento de pozos-noria que poseen actualmente los

agricultores, aplicando la metodología que combina la ecuación de Thiem (1906) y el modelo de Rupp et

al. (2001), basada en conductividad hidráulica y dimensiones de los pozos.

El objetivo de este estudio fue: a) simular el rendimiento de los pozos noria de la cuenca de San José y b)

comparar el rendimiento obtenido con el uso actual de agua y con la recarga de las aguas subterráneas.

6.2 MATERIALES Y MÉTODOS 6.2.1. Descripción del Sitio 6.2.1.1. Ubicación

El área de estudio se ubica en la vertiente oriental de la Cordillera de la Costa, en la coordenada 36°24’ S

y 72°30’W, provincia de Ñuble, VIII Región, Chile (Figura 6.1) y corresponde a una parte de la cuenca del

estero San José, ubicada 10 km al poniente del pueblo de Ninhue, en la comuna homónima. La cuenca

tiene una area de aproxidamente 10 km2 y la elevación varia entre 55 y 230 m.

W72º 33' W 72º 16'

Ú

Ninhue

N 36º 13'

N 36º 29'

W 72º 30'

N 36º 24'

Figura 6.1. Ubicación general de la zona de estudio. 6.2.1.2. Clima

Según clasificación de Papadakis, el clima es de tipo mediterráneo y corresponde al agroclima

Cauquenes (Pozo, del; 1999). La precipitación media anual medida entre 1993 y 2000 a 7 km del área del

estudio en la estación San Agustín de Puñual de la Dirección General de Aguas, es de 814 mm,

concentrada en entre mayo y septiembre. La evaporatranspiración potencial es de 1100 mm/año siendo

mayor durante los meses de diciembre, enero y febrero (Comisión Nacional de Riego, 1997).

Figura 6.2. Ubicación de pozos noria, cuencas, zona de acumulación y red de drenaje.

6.2.1.3. Geología

Desde el punto de vista geológico la zona está constituida por rocas plutónicas paleozoicas: granitoide

rico en cuarzo y diorita cuarcífera (Bizama, 1998). Los intensos procesos de meteorización química que

han actuado sobre las rocas graníticas de la Cordillera de la Costa, han permitido la formación in situ de

un suelo profundo, de espesor variable, compuesto por material de textura fina con fracciones

importantes de arenas, propensos a la erosión y de baja fertilidad. Estos suelos permiten la infiltración y

acumulación local de pequeñas cantidades de agua subterránea, controlada por una topografía de

lomajes fuertes (González et al., 1999). Los suelos presentan baja permeabilidad y las tasas de

infiltración que permiten los horizontes superiores son bajos, provocando escorrentías superficiales

concentradas en los meses lluviosos, que crecen y decrecen rápidamente, después de los eventos de

precipitaciones. Los horizontes superiores del suelo suelen tener una capacidad de retención de

humedad volumétrica cercana al 20%, mientras que en estratas más profundas, la porosidad eficaz del

material es baja, 1% a 8% (Selker et al., 2000; González et al., 1999), limitando la capacidad de éstas

como aportantes de agua.

6.2.2 Ubicación de pozos norias y selección de norias a estudiar La cuenca considerada en este estudio (Figura 6.2), de 725 ha, es afluente del estero San José. La

totalidad de los pozos (53) fueron caracterizados teniendo en consideración sus dimensiones

(profundidad, diámetro, profundidad del nivel freático estacional) y su ubicación.

En 37 pozos noria, equivalentes al 70%, se realizaron pruebas de recuperación para estimar la

conductividad hidráulica saturada (Ks) aplicando la metodología de Rupp et al (2001). El equipamiento

utilizado fue una motobomba, huincha de medir y sensores de nivel DIVER. Cada pozo-noria fue

individualizado registrando datos de diámetro, profundidad, forma de habilitación, medición de nivel

freático y observación de presencia de roca en el fondo. Esta información fue utilizada para estimar el

rendimiento potencial de cada pozo.

6.2.3 Determinación de la Conductividad Hidráulica La metodología propuesta por Rupp et al. (2001) es una modificación de la prueba de Bouwer y Rice

(Slug-test) (Bouwer y Rice, 1976) para estimar la conductividad hidráulica (KS) en pozos de gran diámetro

a partir de pruebas de recuperación. Esta metodología involucra un análisis de la curva de recuperacion

después de un vaciamiento rápido del pozo noria, sin embargo, se ha mostrado que registrando el nivel

del agua pocas veces (mínimo de dos) durante la recuperación no se introduce un error significativo en la

estimación comparado al análisis de la curva completa (Uribe et al., en preparación). Por esta razón, fue

posible utilizar la siguiente simplificación de la metodología:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=75

25

2575

2

ln)(2 y

yttL

RrK S (1)

donde (Figura 6.3)

r = radio del pozo (m)

L = distancia desde el nivel freático hasta el fondo del pozo (m)

t25 = tiempo en cual el nivel se ha recuperado hasta 25% de su nivel inicial (min)

t75 = tiempo en cual el nivel se ha recuperado hasta 75% de su nivel inicial (min)

y25 = distancia desde el nivel freático hasta el 25% de recuperación (m)

y75 = distancia desde el nivel freático hasta el 75% de recuperación (m)

El término R se puede calcular mediante la expresión:

( )[ ][ ] 8/52/1

2

)/(/)(61.11/ Λln21.084.1

−−++

=rLDLD

rLR (2)

donde D es el espesor del acuífero (Figura 6.3), Λ es una medida de la capilaridad del suelo en función

de la textura (Cuadro 6.1). La ecuación 2 es válida para 2 ≤ L/r ≤ 20. En el caso del secano del sector

San José se utilizó un valor de Λ = 9,2.

Figura 6.3. Dimensiones consideradas en las ecuaciones para el análisis de rendimiento de pozos-noria.

Cuadro 6.1. Capilaridad de suelo Λ según textura del suelo (Rupp et al., 2001)

Textura de Suelo Λ (m)

Arenoso 0,4

Arenoso-Franco 1,2

Franco-Arenoso 4,1

Limoso 7,2

Franco-Arcillo 8,4

Franco 8,6

Franco-Arcillo-Limoso 9,2

Franco-Limoso 9,6

Franco-Arcillo-Arenoso 12,4

Arcillo-Limoso 17,7

Arcillo 47,3

Arcillo-Arenoso 55,2

6.2.4. Estimación de la disponibilidad de agua de los pozos Conocida la conductividad hidráulica del acuífero libre y las dimensiones de un pozo noria es posible

aproximar el caudal Q aplicando la ecuación de Thiem (ecuación 3), asumiendo que el nivel del agua se

mantiene constante bajo el nivel freático.

RyLKQ Sπ2= (3)

donde R puede ser estimado mediante la ecuación 2 para pozos anchos y relativamente poco profundos,

o por otros métodos existentes para pozos estrechos y profundos (Bouwer y Rice, 1976).

Con la información de las dimensiones y niveles freáticos mínimos de los pozos noria durante el verano,

además de los valores de Ks, se pudo realizar una estimación de caudales mediante las ecuaciones 1, 2

y 3. Esto permitió comparar la explotación actual de los recursos hídricos subterráneos, la recarga, que

constituye un límite superior de extracción y la potencialidad de extracción a través de mejoramiento o

construcción de nuevos pozos.

6.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

6.3.1. Ubicación y caracterización de los pozos-norias La Figura 6.2 presenta la cuenca del estero San José, su red de drenaje, la cuenca del estudio y la

ubicación de los 53 pozos noria georeferenciados. Se puede apreciar que los pozos-norias se encuentran

asociados a los sectores bajos (“zonas de acumulación”) y a la red de drenaje.

Los pozos noria existentes han sido construidos por los propios agricultores, mayoritariamente revestidos

con tubos de cemento de 1 m de diámetro interior. La profundidad de los pozos varió entre 1,48 m y 10,1

m, con promedio de 4.78 m.

Según encuestas realizadas en el Proyecto CADEPA, el consumo promedio diario de agua de cada pozo

es de 460 L/día, con un máximo de 3000 L/día/pozo y un mínimo de 20 L/día/pozo. Esta información es

un buen punto de referencia para conocer el nivel actual de uso de los pozos-norias y compararlo con

estimaciones de rendimientos potenciales realizados en este trabajo.

6.3.2. Conductividad hidráulica (Ks) Utilizando las ecuaciones 1 y 2, se obtuvieron valores de Ks los que se distribuyen según se aprecia en la

Figura 6.4. Los Ks obtenidos se clasifican como bajos (Villanueva e Iglesias., 1984), con media de 101,8

cm/día y desviación estándar de 132,2 cm/día, lo que indica una alta variabilidad. Por observaciones en

terreno se pudo apreciar que los resultados de las Ks mayores podrían corresponder a la presencia de

una condición de fracturamiento, que facilita el flujo del agua, mientras el resto de los pozos-norias se

encontrarían en formaciones no fracturadas (Figura 6.5).

Histograma

02468

1012141618

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600Clase de Ks (cm/dia)

Frec

uenc

ia

Figura 6.4. Distribución de frecuencia de los valores de Ks medidos en los pozos-norias.

Coordenadas UTM, Datum SAD 1969, huso 18

Figura 6.5. Distribución espacial de la conductividad hidráulica (cm/día) en las sub-cuencas.

En pozos-noria en construcción se realizaron muestreos del perfil de suelo cada 1 m hasta profundidades

de 3,5 m. Los análisis de textura resultaron franco-arcillo-arenosas, franco-arenosas y francas, cuyas

porosidades eficaces se encuentran entre 0,1 y 0,15, según triángulo de clasificación de suelos con

isolíneas de porosidad eficaz (Custodio y Llamas, 1983), sin embargo, los valores podrían ser menores

en el suelo no disturbado, in situ.

6.3.3. Estimaciones de caudal basado en la Ks e información de pozos Para la simulación de caudales se midió el nivel mínimo de agua desde el fondo del pozo (D) que ocurre

en verano y se utilizaron las Ks estimadas. Se consideró dejar un nivel mínimo de agua de 0,5 m desde

el fondo del pozo durante la extracción. Por ello, si el nivel medido en verano fue menor a 0,5 m, la

estimación de rendimiento fue nula. Además se simuló el efecto que tendría profundizar los pozos en 0.5

m y 1 m adicionales a la profundidad actual en caso que la presencia de roca en el fondo no sea

impedimento. De los 37 pozos analizados 16 podrían ser profundizados potencialmente. Las figuras 6.6

y 6.7, y el Cuadro 6.2 presentan la información resultante.

02468

101214161820

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

Pozos

Cau

dal (

m3/

día)

Figura 6.6. Caudales obtenidos por la ecuación de Thiem en todos los pozos noria y caudal promedio (línea).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Pozos

Cau

dal

(m3/

día)

Profundización = 1 mProfundización = 0.5 mProfundización = 0 m

Figura 6.7. Caudales obtenidos en pozos sin roca en el fondo y simulación del efecto de profundización.

Estimaciones de recarga de aguas subterráneas indican que este parámetro varía entre 6 y 22 mm/año

para la temporada 2001-2002 (Uribe et al., 2003), mientras según las simulaciones realizadas en este

trabajo el agua posible de extraer por los pozos noria sería de 8 mm/año y 20 mm/año, para la

situaciones sin profundizar y profundizando 0,5 m, respectivamente. Si se comparan estos valores con

el agua utilizada actualmente, que es menos de 2 mm/año, se puede pensar en aumentar el uso del

agua, aún sin profundizar los pozos. También existe la posibilidad de profundizar los pozos que no

tengan roca en el fondo o construir más pozos noria.

Cuadro 6.2. Caudal disponible bajo las condiciones actuales (SP) y de futuras profundización (P).

Q (m3/d) Q (m3/d) Q (m3/d)

SP P=0,5 m P=1m

Promedio (m3/dia) 3,3 8,1 12,8

Nº Pozos 53 53 53

Q anual (m3) 63.839 156.695 247.616

Q anual (mm) 8,8 21,6 34,2

6.4 CONCLUSIONES

La conductividad hidráulica medida en los pozos existentes usando la metodología de Rupp et al.

(2001) mostró la alta variabilidad del parámetro, cuyos valores resultaron entre 4 y 514 cm/día, con

media 101.8 cm/día y desviación estándar de 132.2 cm/dia. Los pozos noria son poco profundos y en

algunos casos pueden estar ubicados en zona fracturadas,

La recarga de agua subterránea, que se encuentra entre 6 y 20 mm/año (temporada 2001-2002), es

mayor que el nivel de extracción actual (menor a 2 mm/año). Si se compara la cantidad de agua

utilizada por los agricultores y la obtenida mediante las simulaciones realizadas en este trabajo (8,8

mm/año) se puede decir que no están extrayendo la totalidad del agua disponible que permiten los

pozos-noria existentes y adicionalmente es posible aumentar la extracción ya sea profundizando

pozos existentes o construyendo otros nuevos.

Se debe mencionar el alto nivel de agua perdida por escorrentía superficial, lo que limita la recarga,

por lo tanto se requiere con urgencia tomar medidas conservacionistas tendiente a mejorar la

infiltración y la capacidad de retención de humedad del suelo y de esta forma permitir a futuro contar

con una mayor disponibilidad de aguas subterráneas.

6.5 BIBLIOGRAFÍA Bizama, G. 1998. Geología del cuadrángulo Yumbel (37º00’-37º5’S, 72º30’-72º45’W) VIII Región del Bío-Bío, Chile, “Memoria de Título”, Universidad de Concepción, Chile, 103 pp. Bouwer, H., and R. C. Rice. 1976. A slug test for determining hydraulic conductivity ofunconfined aquifers with completely or partially penetrating wells. Water Resources Research 12, no. 3: 423-428. Comisión Nacional de Riego y CIREN-Corfo, 1997. Cartografía de la evapotranspiración potencial en Chile. Chile. Custodio, E y M. R. Llamas.1983. Hidrología Subterránea. 2ª.ed. pp.: 801. Omega, España. González L., Mardones M., A. Silva y E. Campos, 1999. “Hidrogeoquímica y comportamiento del agua subterránea en la cuenca del río Claro, Región del Biobío, Chile”. Revista Geológica de Chile, 26(2):145-157 Pozo l., A del; Canto S., P del 1999. Areas Agroclimáticas y sistemas productivos en la 7 y 8 regiones. 116 p. Serie Quilamapu no.113. Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán Chile. Rupp, D, J. Selker and J. Simunek. 2001. A modification to the Bower and Rice Method of Slug-test Analysis for Large-Diameter, Hand-Dug Wells. Ground Water 39(2):308-314 Selker, J., D. Rupp, M. Leñam, H. Uribe. 2000. Estudio Hidrológico en el Secano Interior. Resultados Preliminares del Proyecto Piloto en Portezuelo. Informe Técnico de Riego 41 p. Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán Chile. Thiem, G. 1906. Hydroligische methoden. Gephart, Leipzig, Alemania. Uribe, H. 2002. Metodología para determinar la disponibilidad de aguas subterráneas en el secano interior de Ninhue. Tesis para optar al grado de Magister en Ingeniería Agrícola. Universidad de Concepción, Chile. 1 Uribe, H., Arumi, J. L., González, L., y L. Salgado. 2003. Balances hidrológicos para estimar recarga de acuíferos en el Secano Interior - Chile, Ingeniería Hidráulica en México, vol. XVIII, num. 3, julio-septiembre, pp. 17-28.

Villanueva, M, A. Iglesias, 1984. Pozos y acuíferos. Técnicas de evaluación mediante ensayos de bombeo. Instituto Geológico y Minero de España, División Aguas Subterráneas. Madrid. 426 pp.

CAPÍTULO 7

EVALUACIÓN DE TRES PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN SOBRE LOS NIVELES

DE HUMEDAD DEL PERFIL DEL SUELO.

AUTORES:

Octavio Lagos.Ing. Civil Agrícola Ms ©

Hamil Uribe Ing. Civil Agrícola Ms

Yukio Okuda Ing. Civil Agrícola

CONSULTORES TÉCNICOS:

John Selker., Agricultural Eng. MSc. PhD.

David E. Rupp, Forestry MSc.

Jose Luis Arumí. Ing. Civil PhD.

7.1 INTRODUCCIÓN Los procesos de degradación de tierras tienen su raíz en factores económicos, sociales y culturales que

se traducen en la sobreexplotación de los recursos y en prácticas inadecuadas de manejo de suelos y

aguas. Sus consecuencias más evidentes son la pérdida de fertilidad del suelo, la reducción de la

productividad y un empobrecimiento generalizado de los sistemas de producción agrícola.

La actividad humana promueve cambios en la capa vegetal que cubre la superficie del suelo, estos

cambios posibilitan la compactación del suelo, rompe sus agregados estructurales y lo hacen

transportable. Esto contribuye a reducir la permeabilidad de la capa superficial, afectando la capacidad

del suelo para infiltrar y almacenar el agua, dificultando la penetración de las raíces en el suelo y

obstaculizando la captación de nutrientes para el desarrollo de las plantas. Las prácticas

conservacionistas de manejo de suelos, aguas y cultivos, en especial las labranzas, deben mantener y/o

mejorar las condiciones físicas, químicas y biológicas. Ello permitirá proteger la superficie del suelo del

impacto de las gotas de lluvia, aumentar la infiltración de agua en el perfil, mantener un ambiente

favorable para la penetración y desarrollo radicular y reducir los volúmenes de escorrentía y erosión

(Pérez, 2000).

En este marco y conociendo la importancia de revertir los procesos de degradación, Pizarro et al. (2003)

revisó y analizó prácticas tradicionales de conservación de aguas y suelos entre la IV y la VIII región de

Chile, en este trabajo se consideraron prácticas como zanjas de infiltración, zanjas de desviación, diques,

empalizadas, etc. Mostrando que son prácticas frecuentemente usadas, aunque en algunos casos, sin

un método de diseño estándar para su dimensionamiento.

Otras investigaciones han sido desarrolladas con el propósito de evaluar el efecto que tienen estas

prácticas en la productividad silvícola. Saavedra (1999) evaluó el crecimiento de Pinus Radiata D. Don en

una condición con y sin zanjas de infiltración, los resultados muestran diferencias de cuatro veces en el

crecimiento para la plantación ubicada en la zona de zanjas. Por otro lado Perez (2001) evaluó mediante

una proyección de los volúmenes de cosecha de Pinus Radiata, estimando un crecimiento mayor en un

61% en la situación con zanjas de infiltración, respecto a la zona testigo.

El efecto en la humedad del suelo con zanjas de infiltración y subsolado también fue observada por

Saavedra (1999), los resultados muestran que el contenido de humedad es superior en las situaciones

donde se realizaron obras de conservación, para una profundidad de 15 cm, el contenido de humedad del

suelo en la zona con zanjas de infiltración es 41% mayor que en la zona testigo. Para el contenido de

humedad del suelo a 30 cm de profundidad, los resultados muestran que al igual que para 15 cm de

profundidad, ambas técnicas son más eficientes que el establecimiento tradicional, siendo la zona con

zanjas de infiltración la que presentaba un mayor contenido de humedad del suelo, seguida ésta por la

zona donde se aplicó el subsolado.

Uribe y Rouanet (2002) evaluaron el efecto que tienen tres sistemas de labranza sobre la humedad del

perfil del suelo: dos prácticas de siembra con cero labranza (con y sin residuos) y labranza tradicional.

Este trabajo concluyó que desde el punto de vista de la retención de humedad en el perfil de un suelo

Ultisol, utilizar la técnica conservacionista cero labranza sin quema de residuos manifiesta una mayor

retención de humedad.

En un estudio actualmente en ejecución Pizarro y Pavez (2004) evalúan, en el Secano Interior y Costero

de la VI, VII y VIII región, el comportamiento del agua en el perfil del suelo producto de la construcción de

zanjas de infiltración y subsolado. Los resultados preliminares evidencian una gran variabilidad en el

contenido de humedad sometido a los distintos tratamientos, variabilidad debida principalmente a las

diferencias en densidad aparente de los suelos en los diferentes sitios de estudio.

En el Secano Interior de la VIII región, sector San José de la comuna de Ninhue se han propuesto y

construido distintas prácticas de conservación de suelo como una manera de controlar la erosión

producida por el escurrimiento superficial.

Los suelos del sector corresponden a suelos graníticos compuestos por material de textura fina con

fracciones importantes de arena, presentan una baja permeabilidad y bajas tasas de infiltración. Esta

situación provoca escorrentías superficiales concentradas principalmente en los meses de invierno y

nulas en verano, que crecen y decrecen rápidamente, después de los eventos de precipitación.

En forma demostrativa se han construido zanjas de infiltración en la parcela PECA del proyecto CADEPA,

las que están siendo evaluadas y comparadas con otras formas de manejo conservacionista como son

las zanjas de desviación y la cobertura vegetal con Hualputra (Figura 7A1).

7.2 OBJETIVO GENERAL El objetivo de este estudio es evaluar el efecto de tres prácticas de conservación de suelo sobre la

disponibilidad de humedad en las distintas estratas del perfil del suelo.

7.3 MATERIALES Y MÉTODOS. El ensayo se desarrolla desde mediados de octubre del año 2001 hasta Octubre del 2003, en la parcela

PECA del proyecto CADEPA en el sector de San José, comuna de Ninhue, VIII Región.

El suelo corresponde a franco arcilloso, con incremento de las arcillas en profundidad y con una alta

densidad aparente, resistente a la penetración. El suelo tiene baja capacidad de retención de humedad

en superficie, pero incrementada en profundidad por el aumento del contenido de arcilla (Figura 7.1).

0-20 cm franco arcilloso

20-100 cm arcilloso

Figura 7.1. Perfil del suelo hasta 1m.

El clima del área es de tipo mediterráneo marino, según clasificación de Papadakis (Del Pozo, 1999).

Según información de la estación agro-meteorológica San Agustín de Puñual, perteneciente a la

Dirección General de Aguas, ubicada a unos 7 Km. del área en estudio, la precipitación media anual es

de 775 mm/año, concentrada en los meses de invierno, donde la lluvia duplica los niveles de evaporación

potencial.

7.3.1. Prácticas de conservación 7.3.1.1. Zanja infiltración. Las zanjas de infiltración corresponden a una obra de recuperación de

suelos, son construidas frecuentemente de forma manual y están ubicadas en la parte superior o media

de una ladera para capturar y almacenar la escorrentía procedentes de las cotas superiores. Se

construyen transversalmente a la pendiente, en la curva de nivel. Presenta una sección trapezoidal, con

una altura de 0,2 a 0,6 m. El distanciamiento entre zanjas depende de la precipitación y la pendiente del

terreno. Aguas abajo de la obra, se debe construir un camellón de similar altura que la zanja y con un

ancho similar a la anchura superior de la obra.

7.3.1.2. Zanja desviación. Las zanjas de desviación son pequeños canales de tierra construidos

transversalmente a la pendiente, en la dirección de las curvas de nivel. Poseen una sección que en

promedio mide unos 30-40 cm de ancho por unos 20-30 cm de profundidad, la excavación

frecuentemente es realizada manualmente o mediante el uso de arados de tiro animal o tractor, el

material de la excavación es ubicado en el costado de aguas abajo de la zanja, de forma de construir un

camellón protector. Las zanjas de desviación se ubican en la partes superiores y medias de las laderas

con el fin de controlar la escorrentía de las zonas mas altas. La pendiente en el canal es muy baja con el

propósito de evacuar las aguas de escorrentía manteniendo un control sobre la erosión.

7.3.1.3. Pradera. La pradera tiene como objetivo crear una cubierta vegetal que impide el impacto

directo de las gotas de lluvia que sellan el suelo provocando una disminución en la velocidad de

infiltración y aumentando la escorrentía. El aumento de la escorrentía en suelos desnudos asociados a

altas pendientes tiene como consecuencia graves problemas de erosión hídrica. Por esta razón como

tercer tratamiento se considero una pradera de Hualputra. Esta se estableció entre los días 23 y 24 de

mayo 2001, con máquina Ruber Jr., se sembró la variedad Santiago en dosis de 23 Kg/ha de semilla,

previamente se realizó barbecho químico mediante la aplicación de 2,5 Lt/ha de Rundup. Se aplicó 235

Kg/ha de Superfosfato triple y en primavera se aplicó sulfato de potasio en dosis de 100 Kg/ha.

7.3.2. Humedad en el suelo Los registros analizados corresponden al período comprendido entre mediados de Octubre del año 2001

hasta Octubre del 2003. Las mediciones de humedad se realizaron con una sonda de neutrones, similar a

la utilizada por Uribe y Rouanet. (2002) (Figura 7.2), en estratas de 20 cm hasta los 80 cm. La frecuencia

de las mediciones varió entre una a dos semanas.

Figura 7.2. Sonda de neutrones Troxler 4300.

Al inicio del ensayo, en la instalación de los tubos de registro se realizaron muestreos de suelo para

determinar el contenido de humedad y obtener la calibración del equipo. La humedad se determinó por

gravimetría en porcentaje de humedad base peso seco (%Hbss). Se instalaron 9 tubos de acceso para

tres zanjas de infiltración, siete para tres zanjas de desviación y siete para el sitio con cobertura vegetal.

Esta distribución permitió tener tres repeticiones por cada tratamiento y registros antes y después de

cada zanja.

7.3.3 Precipitación Las mediciones de precipitación fueron realizadas cada 15 minutos a través de un estación meteorológica

modelo Campbell Scientific Inc., Datalogger CR 23X que además permite registrar radiación solar,

velocidad de viento, temperatura ambiental y humedad relativa. Esta estación se encuentra ubicada en el

sitio en estudio (Figura 7.3).

Figura 7.3. Estación meteorológica Campbell CR23X.

7.4 RESULTADOS Y DISCUSION 7.4.1. Efecto de tratamientos en la humedad del perfil del suelo En la Figura 7.4 se presentan los resultados de humedad (%Hbss) para el período de estudio, totalizando

64 mediciones. Se presentan los registros para los tres tratamientos y las cuatro diferentes estratas (20,

40, 60 y 80cm).

Se observa desde Octubre hasta antes de la primera precipitación del año 2002, una constante

disminución en el contenido de humedad de todas las estratas, encontrando los menores valores en las

estratas más superficiales.

El efecto en el contenido de humedad de los diferentes tratamientos fue inadvertible gráficamente, la

variación de la humedad durante el período de evaluación es similar en cuanto a su magnitud y duración.

Se mantiene una menor variación del porcentaje de humedad en los estratos más profundas versus los

estratos más superficiales. Además la velocidad de disminución en el contenido de humedad fue mayor

en las estratas más superficiales que las observadas en las estratas más profundas

Variación de la Humedad 20cm

0

5

10

15

20

25

30

28/ 7/ 01 5/ 11/ 01 13/ 2/ 02 24/ 5/ 02 1/ 9/ 02 10/ 12/ 02 20/ 3/ 03 28/ 6/ 03 6/ 10/ 03 14/ 1/ 04

Fe c ha

20cm Zanja Inf. 20cm Zanja Desv. 20cm Hualputra

INIA CADEPA SAN JOSE

Variación de la Humedad 40cm

0

5

10

15

20

25

30

28/ 7/ 01 5/ 11/ 01 13/ 2/ 02 24/ 5/ 02 1/ 9/ 02 10/ 12/ 02 20/ 3/ 03 28/ 6/ 03 6/ 10/ 03 14/ 1/ 04

Fe c ha

40cm Zanja Inf. 40cm Zanja Desv. 40cm Hualputra

INIA CADEPA SAN JOSE

Variación de la Humedad 60cm

0

5

10

15

20

25

30

28/ 7/ 01 5/ 11/ 01 13/ 2/ 02 24/ 5/ 02 1/ 9/ 02 10/ 12/ 02 20/ 3/ 03 28/ 6/ 03 6/ 10/ 03 14/ 1/ 04

Fe c ha

60cm Zanja Inf. 60cm Zanja Desv. 60cm Hualputra

INIA CADEPA SAN JOSE

Variación de la Humedad 80cm

0

5

10

15

20

25

30

28/ 7/ 01 5/ 11/ 01 13/ 2/ 02 24/ 5/ 02 1/ 9/ 02 10/ 12/ 02 20/ 3/ 03 28/ 6/ 03 6/ 10/ 03 14/ 1/ 04

Fe c ha

80cm Zanja Inf. 80cm Zanja Desv. 80cm Hualputra

INIA CADEPA SAN JOSE

Figura 7.4. Variación del contenido de humedad del suelo (%Hbss) para los tres tratamientos y las diferentes estratas.

7.4.2. Precipitación y variación del porcentaje de humedad en el perfil del suelo El aumento en el contenido de humedad provocado por las lluvias se observó en todas las estratas, la

respuesta fue inmediata después de los eventos de precipitación, siendo las más superficiales las que

mostraron un mayor incremento (Figura 7.5). A 20cm de la superficie del suelo, después de la primera

lluvia, el contenido de humedad aumento desde un 3% Hbss hasta un 12% Hbss, con un máximo de

20% Hbss durante el mes de julio (2002 y 2003). A una profundidad de 80 cm, después de la primera

lluvia, el aumento fue desde un 14% Hbss hasta un 18% Hbss alcanzando un maximo alrededor de 23%

Hbss.

Durante el año 2002 la precipitación anual fue de 935.8 mm (21% mayor a un año normal) mientras que

el año 2003 fue de 460.5 mm (59% de un año normal) sin embargo los niveles máximos y mínimos de

humedad alcanzados fueron similares para ambos años.

La duración del período que muestra los niveles más bajos de humedad fue mayor durante la temporada

estival del año 2003 versus el año 2002, situación provocada por precipitaciones poco frecuentes durante

febrero de 2002 (aproximadamente 100 mm en dos días).

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

j-01 s-01 n-01 d-01 f-02 a-02 m-02 j-02 s-02 o-02 d-02 e-03 m-03 m-03 j-03 a-03 o-03 n-03 e-04

Fecha

%H

BPS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100PP

(mm

/día

)

Zanja InfiltraciónZanja DesviaciónPraderaPrecipitación

2001 2002 2003

Figura 7.5. Relación entre precipitación y la variación de la humedad en el perfil del suelo, estrata 20cm. 7.4.3. Variación de la humedad y relación con la escorrentía superficial Paralelamente y con el propósito de evaluar el efecto de practicas de conservación en la escorrentía de

diferentes microcuencas se cuenta con registros de escorrentía superficial cada 5 minutos en la cuenca

donde están establecidas las tres practicas de conservación del presente estudio.

Al realizar una comparación de los registros de humedad y los registros de escorrentía superficial es

posible observar que luego que se alcanzan los valores máximos de humedad ocurre la escorrentía

superficial. En la figura 7.6 se muestran los eventos de precipitación y escorrentía del año 2003, en los

meses anteriores a Junio no se registraron escurrimientos superficiales en la cuenca, ocurriendo el primer

evento de escorrentía el 14 de junio. Al comparar los niveles de humedad del suelo alcanzados en dicha

fecha (Figura 7.5), se observa que el suelo aproximadamente ya ha alcanzado los niveles máximos de

humedad.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

dic-02 ene-03 mar-03 mar-03 abr-03 may-03 jun-03 jul-03 ago-03 sep-03 oct-03 nov-03 dic-03

Esc

orre

ntía

acu

mul

ada

(mm

)0

100

200

300

400

500

600

700

Pre

cipi

taci

ón a

cum

ulad

a (m

m)

Sin Escurrimiento Con Escurrimiento

Figura 7.6. Relación entre precipitación (azul) y escorrentía (rojo) acumulada año 2003.

7.5 CONCLUSIONES

Para este tipo de suelo y durante el período de estudio las prácticas de conservación evaluadas no

presentan diferencias en el efecto producido en la humedad del suelo hasta 1m de profundidad.

A diferencia de los resultados encontrados por Saavedra (1999) y Pérez (2001) no se observa un efecto

directo de las practicas de conservación en la humedad del perfil de suelo, sin embargo, estos resultados

se asemejan a los encontrados preliminarmente por Pizarro y Pavez (2004) y concuerdan con los

mencionados por Bonilla et al. (2002) con lo cual se estima que las prácticas de conservación muestran

diferentes efectos dependiendo del tipo de suelo donde son establecidas.

La respuesta de la humedad a los eventos de precipitación fue directa en todo el perfil mostrando mayor

variación en las estratas más superficiales que en las mas profundas. Considerando los dos años de

precipitaciones (935 y 460 mm/año 2002 y 2003 respectivamente), en ambos se alcanzaron

aproximadamente los mismos niveles máximos de humedad.

La escorrentía superficial muestra que cuando se alcanzan los valores máximos de humedad el suelo no

es capaz de almacenar más agua, provocando el escurrimiento de las aguas provenientes de los eventos

de precipitación.

7.6 BIBLIOGRAFÍA Bonilla C., C. Bonomelli y G Urrutia. 2002. Distribución espacial y temporal de la precipitación y la humedad del suelo en tres sitios forestales de la VIII región de Chile. Agricultura Técnica Vol. 62 Nº4 p. 541-554.

Del Pozo, Del Canto, 1999. Areas Agroclimáicas y sistemas productivos en la VII y VIII región, serie quilamapu Nº 113, Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán, Chile, 116 p.

Pérez, H. 2001. Evaluación de la productividad de Pinus Radiata D. Don asociado a zanjas de infiltración. Llongocura. VII región del Maule. Memoria para optar al título de Ingeniero Forestal, Universidad de Talca. Talca. Chile. 41p.

Pérez C. (Ed.) 2000. Proposiciones tecnológicas para un desarrollo sustentable del Secano. Chillán, Chile. Instituto de Investigaciones Agropecuarias. Boletín INIA Nº42, 250p.

Pizarro R y A Pavez. 2004. Análisis temporal de los contenidos de humedad del suelo asociada a obras de conservación de aguas y suelos (zanjas de infiltración y subsolado) en zonas semiáridas de Chile Central. Estudio en ejecución. http://eias.utalca.cl/invest.

Pizarro R, C. Sanhueza, J. Flores, E. Martínez y M. Ponce. 2003. Revisión y análisis de prácticas tradicionales de conservación de aguas y suelos en zonas áridas y semiáridas de Chile Central.111 p.

Ramirez, J. 2002. Peasant rationality and land cover changes in the central drylands of Chile. Thesis Ph.D. in Geography. University of Nebraska-Lincoln, USA. 189 p.

Saavedra J. 1999. Análisis comparativo de técnicas de recuperación de suelo en áreas degradadas; efecto en la humedad del suelo, la supervivencia y crecimiento de Pinus Radiata D. Don. Microcuenca estero Barroso, VII Región. Tésis para optar al título de Ingeniero Forestal, Universidad de Talca. Talca. Chile. 35p.

Uribe H., J.L. Arumí, L Gonzalez y L. Salgado. 2003, Balances hidrológicos para estimar recarga de acuíferos en el secano Interior de Chile. Ingeniería Hidráulica en México, Vol XVIII, num3,pp 17-28 julio-septiembre 2003.

Uribe H. y J. L. Rouanet. 2002. Efecto de tres sistemas de labranza sobre el nivel de humedad en el perfil del suelo. Agricultura Técnica Vol. 62 Nº4 p. 555-564.

a) b) c)

Figura 7A1. Evaluación prácticas de conservación de suelo. a) Cobertura Hualputra b) Zanjas de desviación c) Zanja Infiltración

CAPÍTULO 8

AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIOS GEOFÍSICOS

Autor:

Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS

Consultores Técnicos:

John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD.

José Luis Arumi R., Ing. Civil, PhD.

David Rupp, Forestry, MSc.

AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIOS GEOFÍSICOS 8.1 INTRODUCCIÓN El Secano Interior de Chile es una zona de suelos graníticos altamente degradados y con gran

escasez de agua en el periodo estival, lo que dificulta el desarrollo de la agricultura de riego.

Estudios realizados por el Proyecto CADEPA en el sector de San José, indican que en la actualidad

las fuentes de recursos hídricos en explotación corresponden principalmente a norias y algunas

vertientes, que permiten abastecer el consumo humano y superficies de riego menores a 1000 m2. por

pozo

Los pequeños caudales obtenidos de las norias son consecuencia de la baja conductividad hidráulica

(Ks) en este tipo de suelos. Valores de este parámetro han sido medidos en la zona y varían entre 1 y

88 cm/día en la microcuenca Buenos Aires, comuna de Portezuelo (Selker et al., 2000), y entre 5 y

900 cm/día, con una media de 111.9 cm/día, en la microcuenca San José, comuna de Ninhue

(Proyecto CADEPA), ambas en la provincia de Ñuble, VIII región.

En el Secano Interior es posible encontrar zonas donde la permeabilidad secundaria producida por

fracturamientos (Diaclasamiento o Fallamiento) de la roca permite la existencia de recursos hídricos

potenciales que deben ser evaluados (Cecioni y Best, 1996). Estudios de este tipo no han sido

realizados en la zona. En Japón se ha aplicado una metodología para detectar recursos hídricos en

zonas fracturadas en suelos graníticos (Ministerio de Agricultura de Tohoku, 1990) y estos trabajos se

han tomado como base para este estudio.

Las zonas de fractura pueden reflejarse en la topografía del terreno en forma de valles lineales,

cambios en la pendiente, distribución de la vegetación o presencia de portezuelos. Estas condiciones

permiten el trazado de lineamientos, los cuales podrían corresponder a una fractura (ver capitulo 9).

Los lineamientos se pueden trazar sobre fotografías aéreas o por otras metodologías.

Las prospecciones geofísicas realizadas sobre los lineamentos permiten obtener información en

relación a si constituyen una fractura o la presencia de agua.

En suelos graníticos una baja resistividad eléctrica puede significar la existencia de agua o la

presencia de arcillas, por ello las prospecciones electromagnéticas o eléctricas son un apoyo

importante. Una forma de diferenciar cual es la situación es utilizando prospecciones de radiación

gama. Las fracturas con arcilla pueden presentar niveles de radiación menores que con agua.

En las cercanías de las fracturas se pueden producir anomalías radioactivas que pueden ser

determinadas a través de mediciones de concentraciones de Uranio, Thorio y Potasio. En el espectro

de radiación gama el 238U corresponde a nivel de energía entre 1.66-1.86 MeV (máximo 1.76 MeV de 214Bi); 232Th corresponde a nivel de energía entre 2.46-2.86 MeV (máximo 2.62 MeV de 208Tl); 40K

corresponde a nivel de energía entre 1.37-1.57 MeV (máximo 1.46 MeV de 40K) y radiación gama total

(0.4-2.81 MeV) (Ward, 1990).

El objetivo de este estudio fue la aplicación y evaluación de una metodología para la localización de

aguas subterráneas en zonas fracturadas basado en prospecciones geofísicas en la comuna de

Ninhue (VIII Región), en el marco del Proyecto CADEPA.

8.2 MATERIALES Y MÉTODOS El estudio se realizó en la microcuenca San José, comuna de Ninhue, VIII región, Chile. La

metodología utilizada consideró un estudio preliminar que correspondió a la recolección de

información de la zona, ubicación de vertientes, preparación de fotografías aéreas y mapas

topográficos escala 1:5.000.

En segundo término se realizó el trazado de lineamientos (posibles fracturas) para lo cual se

analizaron fotos aéreas SAF escala 1:20.000, vuelo FONDEF del 25 de enero de 1994 mediante

estereoscopía y fotografías aéreas 1:5.000 tomadas para este trabajo. Los lineamientos se definieron

a través de la estructura como líneas de largo máximo de 1 Km. Los lineamientos fueron definidos por

estereoscopía, criterios topográficos y de cobertura vegetal. Los lineamientos se trazaron en base a

valles lineales, distribución vegetal y portezuelos.

A partir de los lineamientos, y de acuerdo a las posibilidades y necesidades de encontrar agua se

seleccionaron trazados para la realización de prospecciones geofísicas.

Tratando de cortar transversalmente los lineamientos se trazaron líneas de prospección de 200 y 400

m de longitud, separadas a 100 m una de otra. Las líneas de prospección sirvieron de guía para la

realización de tres tipos de prospecciones geofísicas: a) Espectrometría de Radiación gama; b)

Prospecciones Electromagnéticas y c) Prospecciones Eléctricas (Figura 8.3). Además se realizaron

exploraciones geológicas del sector.

La espectrometría de radiación gama se efectuó midiendo sobre las líneas de prospección, cada 20

m, con un analizador Handborne 8675, marca Clear Pulse que cuantificó radiación producida por 40K, 214Bi , 208Tl y radiación gamma total, además de las relaciones 40K/214Bi, 40K/208Tl y 214Bi/ 208Tl. De

estas, la relación 214Bi/ 208Tl es un buen criterio para ubicar zonas fracturadas (Imaizumi, 1998). Las

mediciones se realizaron durante cinco minutos en cada punto y el equipo entregó las cuentas

registradas en dicho tiempo. La información obtenida se analizó en forma gráfica.

Las prospecciones Electromagnéticas se realizaron con un equipo APEX Maxmin Computer MMC

(APEX Parametrics Limited, 1998). El equipo contó con un transmisor y un receptor de ondas. La

separación entre el transmisor y el receptor fue de 40 m y se midió cada 20 m, sobre las líneas de

prospección. La profundidad del estudio corresponde a 1,5 veces la separación entre el transmisor y el

receptor, es decir 60 m. Se realizaron mediciones en 8 frecuencias diferentes:110; 220; 440; 880;

1760; 3520; 7040; y 14080 Hz. A mayor frecuencia de las ondas electromagnéticas se obtiene

información de zonas superficiales y a menor frecuencia el resultado corresponde a mayor

profundidad. Los cambios en los resultados obtenidos para distintas frecuencias pueden indicar

presencia de fracturas. Los resultados de las mediciones se expresaron como resistividad eléctrica y

también fueron analizados en forma gráfica.

Las prospecciones eléctricas resistivas se realizaron con un equipo STING R1 IP (Advanced

Geosciences, 2000), con 100 electrodos en línea, distanciados a 4 m, sobre las líneas de prospección.

Para las prospecciones se seleccionó la disposición de electrodos dipolo-dipolo (Advanded

Geosciences, 1997). La información se procesó haciendo una inversión mediante el software

RES2Dinv (Advanded Geosciences, 2000). Este software permitió incorporar la variable topográfica al

estudio. Las mediciones entregaron como resultado la resitividad eléctrica aparente (ohm-m) del

suelo en forma de gráficos bi-dimensionales. Se realizaron mediciones en pozos conocidos para

calibrar el equipo.

Finalmente se realizó un análisis de los resultados obtenidos en ambos lugares de estudio con el fin

de comprobar si los lineamientos corresponden a fallas. Las intersecciones de las fracturass son

lugares donde es más probable encontrar aguas subterráneas posibles de ser extraídas y por ello

constituyen la localización de puntos de perforación.

8.3 RESULTADOS y DISCUSIÓN El trazado de lineamientos se realizó sobre Fotos aéreas escala 1:5.000 y 1:20.000 (Figura 8.1). La

localización de los lineamientos coincidió con otros trabajos realizados previamente (Oyarzún et al.,

1982). En las fotografías escala 1:20.000 en el sector de interés los lineamientos resultaron en

dirección NW y EW. Otros lineamientos se trazaron sobre planos topográficos y fotos 1:5000.

N

Figura 8.1. Lineamientos (rojo) y área de interés (azul) sobre fotografía SAF 1:20.000 (Coord. UTM, Datun SAM 1969, Huso 18).

Los lineamientos 1 y 2 (Figura 8.2.) fueron obtenidos de la las fotos SAF 1:20.000 (Figura 8.1.),

mientras que los lineamientos 3; 4 y 5 fueron trazados sobre fotos aéreas 1:5.000, considerando

además la topografía del sector. El lineamiento 3 une un portezuelo ubicado al sudeste del mapa de

la Figura 8.2., una vertiente y el inicio de un valle. El lineamiento 4 se ubicó basado en la distribución

de una línea de vegetación. El lineamiento 5 se ubicó pasando por un portezuelo y la vertiente.

A partir de los lineamientos de la Figura 8.1 y 8.2 se definieron las líneas de prospección presentadas

en la Figura 8.3. Las líneas de prospección se trazaron de tal forma que corten a los lineamientos

para poder realizar su interpretación.

Figura 8.2. Ubicación de los lineamientos Cuadriculado cada 50 m).

N

LL3

L1

Figura 8.3. Líneas de Prospección

2

El estudio radiactivo se realizó sobre las líneas de prospección cada 20 m. Las mediciones en cada

punto fueron por 5 minutos. Además se midió en las cercanías de la vertiente, totalizando 150 puntos.

Los resultados se presentan en las Figuras 8.4, 8.5 y 8.6, que muestran la distribución gráfica de las

concentraciones de 214Bi, 214Bi/208Tl y radiación gama total.

Figura 8.4. Mapa de Distribución de Radiación Gama por 214Bi.

Figura 8.5. Mapa de Distribución de la relación de radiación Gama por 214Bi y 208Tl (214Bi/208Tl).

Figura 8.6. Mapa de Distribución de Radiación Gama total.

De las figuras se puede decir que los lineamientos 3 y 4 probablemente corresponden a fracturas. En

el caso del lineamiento 3 en las exploraciones geológicas dan mayor seguridad por la presencia de

cuarzo entre granodiorita fracturada y una vertiente ubicada a 10 m de distancia.

La Prospección Electromagnética se realizó sobre las cuatro líneas de prospección, totalizando una

longitud de 1480 m lineales. La Figura 8.7. presenta los resultados de resistividades para las distintas

frecuencias en que se realizaron las mediciones.

Figura 8.7. Resultados de prospección electromagnética. Gráficos de Resistividad Eléctrica (ohm-m).

Con excepción de la frecuencia de 14080 Hz, se observó que a menores profundidades (altas

frecuencias) las resistividades son mayores y a mayores profundidades (frecuencias bajas) las

resistividades son menores. Entre 220 y 1760 Hz los resultados fueron similares y presentaron cierta

similitud con las prospecciones radiactivas, aunque no exactamente con los lineamientos de las fotos

aéreas.

Las prospecciones Eléctricas se realizaron sobre la primera y tercera línea de prospección señalada

en la Figura 8.3. Además se realizó una prospección pequeña de 38 m con configuración de

electrodos dipolo-dipolo, separados a 2 m, en un sector de suelo granítico degradado conocido. Los

resultados de esta prueba de calibración mostraron que el suelo granítico degradado tiene una

resistividad entre 10 y 40 Ohm-m.

La Figura 8.8 presenta los resultados de la prospección eléctrica realizada sobre la línea de

prospección 1 (Figura 8.3). Los resultados indicaron que hasta los 40 m de profundidad los niveles de

resistividad fueron de 100 Ohm-m o menores, indicando la presencia de afloramientos. Los

afloramientos graníticos tienen baja conductividad hidráulica y no son apreciados como buenos

acuíferos, por lo que la línea de prospección 1 no es adecuada para encontrar aguas subterráneas.

Figura 8.8. Resultado bidimensional de la prospección eléctrica realizada en la línea de prospección 1. Línea corresponde a la intersección con lineamiento 2.

La Figura 8.9 presenta la prospección realizada sobre la línea de prospección 3 (Figura 8.3). En las

cercanías de la distancia 188 m se observó un aumento de la resistividad. Este cambio estructural

coincidió con el resultado de la prospección radiactiva en relación con el lineamiento de dirección E-W.

Figura 8.9. Resultado bidimensional de la prospección eléctrica realizada en la línea de prospección 3. La línea punteada indica la intersección de la prospección con el linimiento 4 y 5.

En base a los resultados obtenidos se ubicaron áreas para posibles perforaciones. Uno de ellos

correspondió a intersección de los lineamientos 2 y 4, sin embargo la cuenca aportante es muy

pequeña. El otro punto para realizar una perforación del pozo es la intersección de los lineamientos 2,

3 y 5. Esta ubicación posee un área aportante mayor y además tiene relación con el lineamiento 3

que es el que tiene mayor posibilidad de corresponder a una fractura.

Se realizó una perforación de un pozo de 31 m de profundidad, entubado en 4 pulgadas. La ubicación

del pozo correspondió al límite del área señalada por la intersección de los lineamientos 2, 3 y 5,

cerca de la vertiente. La prueba de bombeo entregó la información del caudal del pozo que resultó

0.09 L/s.

8.4 CONCLUSIONES

El trabajo constituye un primer intento de uso de una metodología para prospección de aguas

subterráneas en roca fracturadas en suelos graníticos del secano de Chile. En este trabajo no se

logró mostrar la efectividad de la metodología propuesta para encontrar agua en zonas fracturadas,

sin embargo queda pendiente realizar otras perforaciones puesto que los resultados entregaron un

área para perforación de pozos y no un punto exacto. Además se trata de una metodología compleja

que debe ser calibrada para cada área de interés. Esto supone realizar pruebas en otros sectores de

la comuna de Ninhue u otros lugares que permitirán afinar los procedimientos para determinar si la

metodología es aplicable y si existe agua en las fracturas del secano.

La interpretación de la información es difícil, siendo las prospecciones eléctricas las que presentan un

mejor comportamiento. Las prospecciones radioactivas y electromagnética no son tan claras y

concuerdan menos con los lineamientos.

8.5 BIBLIOGRAFIA Advanded Geosciences, 1997. Command Creator V 1.2. User’s Manual. Advanded Geosciences, 2000. Sting R1, Sting R1 IP and Swift. Instruction Manual. Advanded Geosciences, 2000. Geoelectric Imaging 2D&3D. APEX Parametrics Limited, 1998. MAXMIN I+8 EM System. Operation Manual. Cecioni y Best, 1996. Prospección de Aguas Subterráneas en la Comuna de Portezuelo (Secano Interior) Región del Bio-Bio, Chile Centro Sur. Proyecto presentado a Fondo Nacional de Desarrollo Regional (FNDR VIII Región) Imaizumi, M. 1998. Engineering Geological Study on Discontinuous Deformation in Rock Mass Using Geochemical Techniques. Development and Application of Radioactivity Prospecting Method. Ministerio de Agricultura de Tohoku, 1990. Informe de estudio de aguas subterráneas en el sur de la zona de Abukuma. Japón. Oyarzun Sepulveda y Asociados y Cia. LTDA., 1982. Fisiografía, GeologíaGeneral y Análisis Geológico-Estructural. Secretaría regional de Planificación y Coordinación, Región del Bio-Bio. Selker, J.,D. Rupp, M. Leñam y H. Uribe. 2000. Estudio Hidrológico en el Secano Interior, Resultados Preliminares del Proyecto Piloto en Portezuelo. Ward, S, 1990. Geotechnical and Environmental Geophysics. Volume I. Society of Exploaration Geophysicists.

CAPÍTULO 9

AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIO DE NIVELES

FREÁTICOS EN POZOS

Autores: Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS© Consultores Técnicos: John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD. David Rupp, Forestry MSc.

AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIO DE NIVELES

FREÁTICOS EN POZOS

9.1. INTRODUCCIÓN

En el secano de Ninhue existe la posibilidad de extraer agua desde zonas de fracturamiento de rocas

(Figura 9.1. y Foto 9.1.), en las cuales el flujo tiene una relación con el comportamiento estacional del nivel

de agua, por lo que este tipo de información puede ser un buen apoyo en la selección de lugares para

construir pozos.

De acuerdo a mediciones en pozos noria realizadas en el Proyecto CADEPA, los niveles de las aguas

subterráneas fueron variables, aun en pozos colindantes, lo que lleva a suponer la existencia de una

estructuras naturales de baja permeabilidad que no permiten el flujo normal de las aguas subterráneas.

Un de las posibles barreras podrían ser las fracturas.

Se estima que la forma y ubicación de la zona fracturada, puede actuar como barrera para los flujos y

también afectar las fluctuaciones en los niveles de las aguas subterráneas. Lo anterior nos permite

comprender el porqué del flujo heterogéneo de aguas subterráneas en este sector.

En este trabajo se presenta una metodología para tener mejores posibilidades de éxito en la localización

de nuevos pozos en la Comuna de Ninhue.

Esfuerzos de t racción Transformación

de la falla

Fracturas por fallas (Ewert, 1985)

Esfuerzos de t racción Transformación

de la falla

Fracturas por fallas (Ewert, 1985)

Figura 9.1. Mecanismo de formación de la falla.

Foto 9.1. Ejemplo de la distribución de grieta en roca granítica.

9.2 GEOLOGÍA

El suelo de esta zona proviene esencialmente de la descomposición de rocas graníticas, encontrándose

estratas meteorizadas cerca de la superficie, pasando al sustrato rocoso granítico a mayor profundidad

(Figura 9.2). El volumen potencial de las aguas subterráneas se concentra en las zonas fracturadas y en

la zona meteorizada, debido a que en sólo éstas se desarrolla porosidad (y eventualmente

permeabilidad).

Capa de granito meteorizado(Agua subterránea poco profunda)

Roca granítica(Fisura agua)

Pozo

Casa

Nivel de agua subterránea durante la estación lluviosa

Nivel de agua subterránea durante la estación seca

Bombeo de agua

Capa de granito meteorizado(Agua subterránea poco profunda)

Roca granítica(Fisura agua)

Pozo

Casa

Nivel de agua subterránea durante la estación lluviosa

Nivel de agua subterránea durante la estación seca

Bombeo de agua

Figura 9.2. Concepto de agua subterránea.

Si nos limitamos sólo a la capa superficial, podríamos considerar que la zona de granito meteorizado y la

zona rocosa fracturada son las vías de flujo del agua. El flujo de las aguas subterráneas se ve afectado

por las distribuciones de las grietas en las zonas fracturadas. Generalmente el sentido o dirección de las

grietas es el mismo que poseen los cauces, sin embargo, si la zona fracturada atraviesa el cauce o esta

en una disposición perpendicular a este, constituye una barrera al flujo de agua, provocando serios

problemas de drenaje. Teóricamente las zonas fracturadas poseen un ancho constante, compuesta de

una porción de grava (de grueso tamaño) y un estrato arcilloso delgado de baja permeabilidad, el que

impide el paso del agua. La parte gravosa de una fractura, posee una alta permeabilidad y al mismo

tiempo es una zona de almacenaje de un importante volumen de agua (Figura 9.3). Por lo tanto, si la zona

fracturada atraviesa el cauce, el nivel de aguas subterráneas se estabiliza en su entorno aguas arriba,

produciéndose una fluctuación mínima del nivel del agua en el tiempo, ya que esta se acumula en la capa

de grava, pudiendo aflorar en la superficie como una vertiente (Figura 9.4). Inmediatamente aguas abajo

de la zona fracturada se produce una importante fluctuación estacional en el nivel del agua subterránea.

Por otro lado, si la zona fracturada se encuentra paralela a la dirección del flujo del cauce, se obtiene una

mejoría en el drenaje, debido a que esta zona actúa como un canal, resultando en un aumento en la

velocidad del agua, provocando fluctuaciones en los niveles freáticos estaciónales. Esta teoría permite

explicar la variación del nivel del agua subterránea en este sector y a la vez, teniendo información de

pozos y lineamientos, definir zonas fracturadas.

Falla de rocas compuestasFalla arcillosa

Zona de fractura

Roca

Falla de rocas compuestasFalla arcillosa

Zona de fractura

Roca

Figura 9.3. Estructura de una fractura.

Sc

ematic cross sectionabout the groundwater current

Spring

Groundwater

Fracture zone(fault)Deep well

Shallow well

Zona de fractura(Falla)

Agua subterránea

Pozo profundo

Vert iente

Esquema de flujo de agua subterránea

Zona de fractura(Falla)

Capa meteorizada Espesor : 5-10m

Roca granítica

Pozo noria

Scematic cross sectionabout the groundwater current

Spring

Groundwater

Fracture zone(fault)Deep well

Shallow well

Zona de fractura(Falla)

Agua subterránea

Pozo profundo

Vert iente

Esquema de flujo de agua subterránea

Zona de fractura(Falla)

Capa meteorizada Espesor : 5-10m

Roca granítica

Pozo noria

Figura 9.4. Conceptos de movimiento vertical de agua subterránea y su relación con las fracturas.

9.3 EXPLOTACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA

Los lugares adecuados para el aprovechamiento del agua son las vertientes y aquellos puntos que

posean un volumen de aguas estable durante todo el año (que no bajen en el verano), solucionando así

las necesidades de agua para el riego durante el periodo de sequía, y proporcionando al agricultor un

volumen relativamente estable de este vital recurso.

Los pozos cuyos niveles de agua sufren menor fluctuación durante todo el año, están ubicados en las

zonas con mayor superficie de captación de aguas subterráneas o donde estas últimas son detenidas en

forma natural (por fracturas u otro tipo de obstáculo). En el Sector San José la fluctuación estacional

(variación invierno – verano) promedio del nivel de aguas subterráneas medido en pozos es poco menos

de2 m, por lo que áreas con fluctuaciones anuales menores a 1m, se podrían considerar como

adecuadas. Es probable que estas áreas se encuentren aguas arriba de una la zona fracturada, la cual

actuaría como una barrera natural, impidiendo el flujo, provocando una estabilización en el nivel freático.

Al contrario, en los lugares con fluctuaciones anuales mayores a 4m, probablemente la dirección de la

zona fracturada sea paralela al cauce, actuando como dren. En estas circunstancias, se podría evaluar la

posibilidad de construcción de un muro de contención o barrera artificial que estabilice los niveles del

agua subterránea, como se muestra en la Figura 9.5.

La ubicación de una fractura se puede determinar a partir de lineamiento trazados analizando la

topografía del terreno, manifestándose generalmente en irregularidades tales como, desorden en las

curvas de nivel, cambio repentino en las distancias entre las curvas de nivel y sectores en que los ríos

avanzan en línea recta (Figura 9.6 y Figura 9.7). Esto se relaciona con el hecho de que la zona de grietas

es vulnerable a la acción de la erosión (Figura 9.8).

little(less than 1m)Suitable sites for WaterResources Development(Well, Embankment)

average(approximately 2m)

large(more than 4m)

Annual Fluctuationof Groundwater Level

Site recommendationof subsurface cutoff wall

Fluctuaciones pequeñas (menor a 1 m)

Fluctuación anual del nivel de agua subterránea (promedio aproximadamente 2m)

Sitio adecuado para desarrollo de recurso hídricos a través de pozo o obras de acumulación

Fluctuaciones grandes(mayor que 4m)

Sitio adecuado para desarrollo de recurso hídricos a través de pozo profundo, construir muro subsuperficial

little(less than 1m)Suitable sites for WaterResources Development(Well, Embankment)

average(approximately 2m)

large(more than 4m)

Annual Fluctuationof Groundwater Level

Site recommendationof subsurface cutoff wall

Fluctuaciones pequeñas (menor a 1 m)

Fluctuación anual del nivel de agua subterránea (promedio aproximadamente 2m)

Sitio adecuado para desarrollo de recurso hídricos a través de pozo o obras de acumulación

Fluctuaciones grandes(mayor que 4m)

Sitio adecuado para desarrollo de recurso hídricos a través de pozo profundo, construir muro subsuperficial

Figura 9.5. Conceptos de movimiento de agua subterránea y fracturas (plano).

Examples of typical topographic featurerelated fault existence

Contour abnormality River flow bendingCambios de dirección bruscos en el flujo de los ríos

Curvas de nivel anómalas

LineamientoExamples of typical topographic featurerelated fault existence

Contour abnormality River flow bendingCambios de dirección bruscos en el flujo de los ríos

Curvas de nivel anómalas

Lineamiento

Figura 9.6. Ejemplos anomalías topográficas que constituyen lineamientos (posibles fracturas).

Figura 9.7. Mapa para la selección de lugares adecuados de recursos hídricos en el sector de San José.

Crecimiento de fractura (Ewert, 1985)Crecimiento de fractura (Ewert, 1985)

Figura 9.8. Crecimiento de grietas por la erosión.

La detección de una fractura es una tarea difícil. Para encontrar estos sectores trazan lineamientos en

base a cartas topográficas o estereoscopía. Algunos de los lineamientos podrían ser fracturas, lo que

puede ser determinado mediante prospecciones geofísicas (Ver Capítulo 8):

- prospección radioactiva: estima el estado del crecimiento de la grieta (zona fracturada) en la

superficie.

- prospección electromagnética: evalúa la resistividad eléctrica del suelo, ya que un terreno de baja

resistividad eléctrica esta asociada a una fractura.

- prospección eléctrica: estima la distribución vertical de la resistividad, indicando así la presencia de

fracturas.

Se Podría identificar de una forma más clara la ubicación de las zonas fracturadas, si se prueban estas

tecnologías de prospección, para luego cotejar los resultados. También puede ser útil la información de la

variación estacional del nivel del agua subterránea.

Las fallas no solamente atajan las aguas subterráneas de los cauces que atraviesa, sino también tiene la

capacidad de captar y almacenar gran cantidad de este elemento, por lo tanto, pueden ser muy útiles para

la explotación del agua subterránea en el lecho rocoso. Sin embargo se debe tener en consideración que

no todas las fracturas tienen agua, también pueden estar rellenas con arcillas, siendo difícil discriminar

entre las dos situaciones. En este sentido, la presencia de pozos cercanos y el conocimiento de la

variación estacional del nivel freático pueden ser de gran importancia.

La selección de un lugar optimo para construir un pozo profundo y un pozo noria, siguen los mismos

criterios anteriormente mencionados. La gran dificultad para encontrar lugares apropiados se origina en

determinar la localización de la fractura, sin embargo, existen otras dificultades como la posición vertical.

Aunque se haya estimado la ubicación de la fractura, es posible cometer errores en la ubicación exacta

del pozo por no conocer el ángulo exacto, por lo que siempre existirá un riesgo inminente en la elección

de un punto de perforación.

Las prospecciones radioactivas, eléctricas y electromagnéticas que se usan para buscar las vetas de

aguas subterráneas, necesitan gran cantidad de mano de obra y tiempo, por lo tanto en zonas de fuentes

de agua limitada y con fines agrícolas son útiles a nivel de investigación.

9.4 CONCLUSIONES

En este capitulo se ha tratado de exponer una forma de elegir un lugar adecuado para la construcción de

pozos en el secano, con el fin de aprovechar al máximo las aguas subterráneas, considerando que los

mejores puntos de explotación tienen relación con las zonas fracturadas. Buenos lugares son aquellas

ubicadas aguas arriba de los puntos en los cuales los cauces son interrumpidos por zona de fractura,

donde el nivel freático sube y se hace menos variable, debido a que la fractura se comporta como una

barrera natural al flujo de agua.

La principal fuente de explotación de aguas subterráneas en este sector, son aquellas que se encuentran

a poca profundidad (pozo noria), sin embargo, estos pozos poseen problemas por la poca cantidad de

agua disponible, presentando la mayoría de estos pozos coliformes fecales. No se debe olvidar que estas

aguas son la fuente para el consumo humano, lo que a un corto plazo traerá problemas de salud para las

personas del sector.

Es posible encontrar un punto adecuado para la ubicación de un pozo ocupando la tecnología disponible,

pero aunque esta tecnología disminuye los riesgos, estos nunca son nulos.

Los pozos de poca profundidad (pozo noria), y los pozos profundos poseen ventajas y desventajas, por lo

que es necesario evaluar y planificar, la explotación de la fuente hídrica luego de obtener la mayor

cantidad de información al respecto, siempre con un trabajo en conjunto con los agricultores.

9.5 BIBLIOGRAFÍA

Takagi, K. 2004. Informe del Especialista, Desarrollo de agua subterránea.

Takagi, K. 2002. Informe del Especialista “Agua subterránea poco profunda (Experto Corto plazo)

CAPÍTULO 10

ESTUDIO DE LA CONTAMINACIÓN EN AGUA DE POZO DESTINADA A CONSUMO HUMANO, EN EL ÁREA DE ESTUDIO DEL PROYECTO CADEPA,

SECTOR SAN JOSÉ, COMUNA DE NINHUE, VIII REGION, CHILE

Autores: Marcelino Claret M., Dplo. Análisis del Ambiente (INIA) Rodrigo Ortega B., Ing. Agrónomo Ph.D. (PUC) Claudio Pérez C., Ing. Agrónomo Ph.D. (INIA) Roberto Urrutia S. Dr. Ciencias Ambientales (EULA) Yukio Shinomi , Ing. Agrónomo (JICA) Manuel Palacios M. Ing. Agrónomo (E) (INIA) Consultores Técnicos: Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola MS Octavio Lagos R., Civil Agrícola MS© David Rupp, Forestry, MSc.

ESTUDIO DE LA CONTAMINACIÓN EN AGUA DE POZO DESTINADA A CONSUMO HUMANO, EN EL ÁREA DE ESTUDIO DEL PROYECTO CADEPA,

SECTOR SAN JOSÉ, COMUNA DE NINHUE, VIII REGION, CHILE 10.1 INTRODUCCIÓN El agua como elemento sustenta la permanencia de toda la vida en la tierra. La vida de cada

individuo y el desarrollo de los grupos humanos dependen en forma crítica de este recurso. Su

ausencia o presencia y su calidad, determinan la salud del hombre y la calidad de vida de toda la

sociedad.

La calidad del agua, sin embargo, no es un término absoluto, sino que dice relación con el uso o

actividad a que se destina; consumo humano, riego, industrias etc. Asociamos el deterioro de la

calidad del agua, con la pérdida de su estado natural, sin embargo para obtener lo que conocemos

como agua potable es necesaria la intervención del hombre cambiando un poco su estado natural,

pero en beneficio de la salud de la población, precisamente el concepto de potabilidad del agua

está determinado por el resultado obtenido después de su tratamiento. La variables más

importantes consideradas para ello son, la presencia de microorganismos patógenos (Coliformes

totales y fecales), los parámetros físicos (turbidez, color, temperatura) y las características

químicas (dureza, nitrógeno, metales etc.,) UNESCO, OMS 1978.

El Código Alimentario Argentino, define que el agua potable, no debe contener sustancias químicas

nocivas (orgánicas o inorgánicas) ni microorganismos perjudiciales para la salud. A este respecto

establece que el agua para consumo humano no deberá contener más de 3 UFC (unidades

formadoras de colonias) de Bacterias Coliformes Totales en 100 ml y Ausencia de Escherichia coli

y Pseudomona aeruginosa, en el mismo volumen (J.A. Basualdo et al, 1997).

Habitualmente la calidad Microbiológica del Agua Potable, es evaluada en forma indirecta por

medio de los denominados indicadores de contaminación fecal. El grupo de los coliformes totales

es el principal indicador utilizado para este fin. Por otro lado la detección de Escherichia coli, es

indicativa de contaminación fecal (J.A. Basualdo et al, 1997).

En Chile la calidad bacteriológica de agua potable está regida por la Norma Oficial NCh 409/1, ella

establece en el punto 7.1 que: “El agua potable debe estar exenta de microorganismos de origen

fecal, cuya presencia se establece en base a la determinación de gérmenes del grupo coliforme”.

Sin embargo esta norma está formulada para cualquier sistema de redes de agua potable y nada

menciona para los miles de pozos que existen en el país cuyas aguas no tiene ningún tratamiento

de potabilización.

La presencia de bacterias coliformes en el agua para consumo humano, constituyen un importante

parámetro de su calidad, por cuanto aunque no son generalmente patógenas, si son indicadoras

de la presencia de microorganismos potencialmente patógenos y por lo tanto constituyen un índice

de manejo sanitario deficiente de una fuente de agua (Hunter et al, 2000). La ingestión de agua

contaminada por coliformes incrementa el riesgo para humanos, de contraer enfermedades

infecciosas (Usepa, 1986).

Una situación similar se describe en numerosos estudios respecto de la contaminación química de

las aguas por nitratos (N-NO3-) incluso estableciendo algunos de ellos una relación entre la

contaminación por Coliformes y Nitratos.

La contaminación de aguas con nitratos, puede provocar toxicidad aguda en humanos con mayor

probabilidad en los niños, pudiendo tener resultados fatales en menores de 6 meses sin un

tratamiento a tiempo y adecuado. Esta enfermedad de denomina “Síndrome del Niño Azul” o

Metahemoglobinemia. En esta enfermedad los nitratos, transforma la hemoglobina que transporta

oxígeno a las células en metahemoglobina que no transporta oxígeno (Distrito de Salud Ambiental

de Benton y Franklin, Usa, 1999).

Los N-NO3-, en el intestino humano pueden ser transformados en nitritos aún más tóxicos. La

exposición crónica a nitratos/nitritos incluye diuresis, depósitos de almidones crecientes y

hemorragia del Bazo (Grupo de Educación Ambiental, Intendencia de Montevideo Uruguay, 2001).

Un estudio realizado el año 1996 en Indiana, USA determinó que el consumo de aguas con

concentraciones de nitratos-, entre 19 y 29 mg/l N-NO3- aumentaba la frecuencia de abortos

espontáneos (Noland B, 1999, citado por Perdomo C. H., 2001).

Por las razones descritas los países del mundo han establecido normas que determinan niveles

críticos de concentración de NO3-, en el agua para consumo humano, como por ejemplo, 10 mg/l

N-NO3- en USA (USEPA, 1986), 11.3 mg/l N-NO3

- en la Comunidad Económica Europea (Smith et

al, 1996).

En Chile el nivel crítico de nitratos, para el agua potable, lo establece la Norma Oficial NCh 409/1,

en 10 mg/l, sin embargo hace la salvedad que: “El Ministerio de Salud puede aceptar un contenido

mayor de estas sustancias”, no explicando de acuerdo a que criterios.

Los metales pesados u oligometales presentes en el ambiente muchos de ellos esenciales para

nuestra vida, pueden transformarse en serios problemas de salud cuando se ingieren

concentraciones por sobre los límites permitidos, una de las vías más frecuentes de ingesta de

estos elementos son el aire y el agua. Los metales pesados se encuentran naturalmente en el

ambiente constituyendo las rocas, sin embargo su ciclo natural y concentraciones están siendo

dramáticamente alterados por el hombre.

Cuando los ciclos de los metales son alterados y acelerados por el hombre inevitablemente pasan

a constituir un problema por cuanto estos elementos útiles para el organismo empiezan a ser

ingeridos en concentraciones no naturales producto de la acumulación de ellos en el ambiente. Los

metales depositados en superficie producto de la lixiviación e infiltración alcanzan finalmente las

napas subterráneas contaminándolas por décadas.

Los metales dentro del organismo humano en concentraciones no adecuadas, pueden interrumpir

reacciones químicas o bloquear la absorción de los nutrientes esenciales o pueden cambiar las

formas de compuestos químicos esenciales para la vida. Algunos metales se unen a nutrientes en

es estómago lo que evita su absorción, el resultado de estas acciones dependerá del metal

específico y del órgano corporal afectado.

Algunos de los metales frecuentemente citados por la literatura, son el Cadmio, Níquel, Cobre y

Cinc. Resulta entonces interesante pesquisar en un estudio si estos metales de alguna forma han

podido llegar a las napas subterráneas y si están siendo ingeridos inadvertidamente, en

concentraciones no apropiadas lo cual constituiría un riego potencial para la salud de la población

En el contexto descrito los objetivos de este estudio fueron:

• Determinar y verificar la Calidad del Agua de pozos noria destinada al consumo humano, a

través de algunos parámetros físicos, químicos y biológicos, en el área del Proyecto

CADEPA

• Pesquisar mediante tecnologías GPS, SIG y Geoestadísticas, la dependencia espacial de

las variables estudiadas, con el fin de obtener mapas de distribución de posibles

contaminantes.

10.2 DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO El área de estudio de una superficie aproximada a las 2000 ha. se ubica en las coordenada 36º 25'

de latitud sur y 72º 31' de longitud oeste. Los agricultores suman aproximadamente 100 , están

ubicados en el área de estudio del proyecto CADEPA y desarrollan en su mayoría una agricultura

de subsistencia.

La litología dominante en el sector es roca metamórfica con importantes contenidos de arcilla,

cuyas características involucran suelos de muy baja permeabilidad y mal drenaje favoreciendo la

escorrentía superficial y ocasionando una grave erosión. Los suelos son destinados al cultivo de

trigo y leguminosas y plantaciones forestales, quedando grandes superficies solo con pradera

natural. La topografía dominante del sector es ondulada con pendientes simples y complejas, en

los sectores más cercanos a la Cordillera de la Costa.

El clima es Mediterráneo Marino (clasificación Papadakis), la precipitación anual alcanza a los 700

mm, su temperatura media anual es e 14.7 ºC, su evapotranspiración potencial alcanza a los 1244

mm, esto ocasiona varios meses del año más o menos septiembre a marzo con déficit hídrico.

(Estación metereológica Cauquenes).

Foto 10.1. Área de Estudio.

El abastecimiento de agua recurso crítico para el sector es obtenido en su totalidad de napas

subterráneas, mediante la excavación de pozos noria de distinta profundidad, muchos de ellos no

entubados o revestidos. Algunos pozos se secan en verano debiendo en algunos casos recurrir a

la solidaridad de sus vecinos para obtener el agua, o de camiones aljibes provistos por la

Municipalidad.

No poseen sistemas de alcantarillados para evacuar sus desechos, utilizando entonces pozos

negros excavados en el suelo, sin revestimiento (salvo excepciones) construidos muchas veces

muy cerca de su pozo de abastecimiento de agua, con un evidente riesgo potencial de

contaminación de su fuente. No manifiestan conocer normativas que les indiquen distancias

mínimas a considerar para un adecuado resguardo y protección de sus pozos de agua, no es una

práctica habitual clorar el agua, y en algunos casos que si lo hacen, no poseen conocimientos

sobre volúmenes adecuados ni frecuencia para la cloración, tampoco consumen el agua hervida,

principalmente por el cambio del “sabor”.

La escasa cantidad de agua que proveen sus pozos, es utilizada para el consumo y preparación de

alimentos diarios y el riego de pequeñas huertas con hortalizas para el consumo familiar cuando

esto es posible.

10.3 MATERIALES Y MÉTODOS El muestreo se realizó a todos los agricultores del proyecto CADEPA. Cada Agricultor recibió la

información de la naturaleza del estudio y se le solicitó su autorización para la toma de la muestra

de agua. Cada Pozo Noria muestreado fue georeferenciado con GPS Garmin III Plus.

El tamaño de la muestra fue de 92 agricultores que son la totalidad de los agricultores actualmente

participando en el Proyecto CADEPA. Para la totalidad de las muestras de agua obtenidas se

analizó la concentración de coliformes totales, fecales y nitratos y se midió también in situ,

Conductividad Eléctrica, Temperatura y Concentración de iones Hidrógeno (pH).

Para una muestra representativa de 40 agricultores, se analizó además la concentración en las

muestras de agua de los siguientes metales pesados; Ni, Cd, Zn y Cu.

Las muestras se tomaron con metodología de rutina del Centro EULA, con la participación directa

de este centro durante todo el muestreo.

Las muestras de agua se tomarán en cada caso de la misma forma como lo hace a diario el

agricultor. El procedimiento contempló para los casos donde existía llave, dejar correr el agua por

espacio de 3 min para lograr la estabilización del flujo, luego se abrió el frasco bajo el chorro, solo

los segundos necesarios para llenar dos tercios del frasco. Para los casos donde no existía llave, el

agua se obtuvo del mismo pozo mediante un balde, del cual se obtuvo la muestra. Para las

muestras destinadas a análisis microbiológico se utilizaron frascos sellados y esterilizados en

autoclave . Para nitratos y metales pesados se utilizaron frascos sellados y desmineralizados.

En cada muestreo y utilizando el jarro de 1l fueron tomadas in situ, la Conductividad Eléctrica. PH y

Temperatura del agua, mediante Kit Sartorius.

Luego de tomadas las muestras estas fueron refrigeradas en Cooller destinado para este

propósito. Todas las muestras tomadas fueron ingresadas a laboratorio para análisis el mismo día

de colecta.

El análisis microbiológico se realizó mediante la técnica de Tubos Múltiples; método cuantitativo

para estimar la concentración de bacterias en el agua. El análisis de nitratos y metales pesados se

realizó con metodologías que responden a estándares internacionales para este tipo de análisis.

Todas las muestras tanto microbiológicas como químicas fueron analizadas por los laboratorios del

Centro Medioambiental Europa América Latina EULA de la Universidad de Concepción.

Obtenidos los resultados del análisis de laboratorio, se procesó estadísticamente la información

mediante sw SAS y el método geoestadístico índice de Moran para determinar la existencia de

dependencia espacial de las variables estudiadas.

Obtenidos los resultados de la prueba geoestadística, para las variables que mostraron

dependencia espacial (CE, pH) se construyeron sus variogramas mediante el soft ware Splus,

fueron posteriormente interpoladas con Krigin mediante el soft ware Map Calc, y se obtuvieron los

mapas de la distribución espacial de estas variables en la zona de estudio.

Para las variables que no evidenciaron dependencia espacial (CT, Cf, Nitratos y Metales) se

construyó una planilla en excell asignando los resultados de análisis de las variables a cada punto

de muestreo y se ingresaron a la Plataforma SIG Arc-View. En el módulo de análisis espacial de

Arc-View las variables fueron interpoladas con el método Distancia Inversa, obteniéndose lo mapas

referenciales de la distribución espacial de las variables en el área de estudio.

La base de datos se construyó en el Sistema de Proyección Cilíndrica UTM, en el Datum

Sudamericano del 69 para hacer los datos compatibles con la base general del Proyecto CADEPA.

10.4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 10.4.1 Nitratos

El análisis del agua subterránea obtenida de pozos noria arrojó como resultado un 100 % de las

muestras con NO3-, con un rango de concentraciones desde 0.1 mg/l a 47.28 mg/l, su promedio fue

de 6.69 mg/l . La distribución de las concentraciones tiene un desplazamiento a los valores bajos

con un 66.3%, de valores inferiores a 5 mg/l; un 13 % entre 5.01 y 9.99 mg/l; un 19.6 % de valores

entre 10 y 44.3 mg/l y solo un 1.1% fuera de la norma Chilena NCh 409/1(Sobre 44.3 mmg/l NO3-).

Concentración de Nitratos en Agua de Pozos Noria Proyecto CADEPA

n = 92

05

101520253035404550

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89

Pozos

NO3 (

mg/

l)

N. Ch. 409/1

Figura 10.1. Nitratos en agua de pozos noria

Distribución de Frecuencia de Concentraciones de Nitratos en Pozos Noria

Proyecto CADEPAn = 92

61

12

5 4 4 3 1 0 1 10

10

20

30

40

50

60

70

0 a 5 5 a 10 10 a 15 15 a 20 20 a 25 25 a 30 30 a 35 35 a 40 40 a 45 45 a 50

Rangos de Concentracion de Nitratos mg/l

Frec

uenc

ia

Figura 10.2. Frecuencia de Concentraciones de Nitrato

10.4.2 Coliformes Según criterios bromatológicos, la sola presencia de estos microorganismos en el agua, es un

indicador cualitativo de contaminación, por lo que aún las aguas con niveles bajos de coliformes

con consideradas contaminadas (USEPA, 1986, citada por Perdomo, C.H., 2001). Sin embargo a

mayores concentraciones de ellos en el agua aumentan también la probabilidad de que contengan

algún microorganismo patógeno (Perdomo, C.H.,2001).

Los resultados del análisis microbiológico del agua de los pozos del área de estudio del proyecto

CADEPA expresados como coliformes / 100 ml, mostraron que un 78.3 % (72 pozos) están

contaminados con C. Fecales y un 88 % (81 pozos)con C. Totales.

Los resultados obtenidos, evidencian una contaminación generalizada con coliformes, sin embargo

y aunque las medias de ambos grupos, 105 C.Totales/100 ml y 61 C. fecales /100 ml son valores

altos, tambien lo son sus desviaciones estándar, lo que muestra que también existe un gran

número de valores de bajas concentraciones, 48.9 % C. Fecales y 31.5 % C.Totales menores o

iguales a 5 Coliformes /100 ml .

La norma Chilena NCh 409/1, dice que: “en condiciones ideales el agua potable debe estar exenta

de microorganismos de origen fecal, cuya presencia se establece en base a la determinación de

gérmenes del grupo coliforme’’.

Como se ha descrito antes es numerosa la bibliografía que reporta afecciones digestivas asociadas

a la ingesta de alimentos y/o agua contaminada por coliformes, por lo tanto se considera

importante dedicarle a este problema una atención especial con el fin de minimizar los riesgos a la

salud de la población.

Los coliformes fecales encontrados en las muestras de agua analizadas en el presente estudio,

aún en concentraciones bajas exceden ampliamente la normativa que indica que el concepto de

potabilidad del agua para consumo humano implica ausencia en el agua de este tipo de

microorganismos de origen fecal.

Concentración de Coliformes Fecales en Agua de Pozos Noria Proyecto CADEPA

n = 92

0100200300400500600700800900

1000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91

Pozos

Col

iform

es F

ecal

es/1

00 m

l

Figura 10.3. Concentración Coliformes Fecales

La Norma Chilena NCh 409/1, no especifica un nivel crítico para Coliformes Totales, aún cuando

ellos pueden potencialmente contener algunos patógenos tales como; Salmonellas, responsables

de la transmisión de tifus y paratifus en humanos, Klebsiellas y Proteus responsables de trastornos

digestivos severos.

El Código Alimentario Argentino (CAA), determina el nivel crítico para Coliformes Totales en 3

Unidades Formadoras de Colonias (UFC) por cada 100 ml de agua.

Ante la ausencia de normativa Chilena a este respecto, este estudio ha tomado este valor de

referencia para los Gráficos y mapas de este grupo de gérmenes.

Concentración de Coliformes Totales en Agua de Pozos Noria Proyecto CADEPA

n = 92

0100200300400500600700800900

1000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91

Pozos

Col

iform

es T

otal

es/1

00 m

l

Figura 10.4. Coliformes Totales en agua de pozos noria

10.4.3 Metales Pesados Los metales pesados u oligoelementos sin duda cumplen un importantes rol en nuestro

organismo, sin embargo en altas concentraciones pueden también ocasionar severos daños

fisiológicos y estructurales a nuestro cuerpo.

Los resultados de los análisis muestran en el agua, concentraciones muy pequeñas de, Zn y Cu , y

ninguno de ellos excede la Norma Chilena.

Solo un 34 % de las muestras analizadas presentó concentraciones de cobre, cuyo valor crítico

según norma NCh 409/1 es de 1 mg/l con la salvedad de que el Ministerio de Salud puede acepta

un contenido mayor de esta sustancia (no se especifica de acuerdo a que criterios).

El valor de concentración medio para el Cobre fue de 0.0035 mg/l, 286 veces bajo la Norma, esto

indica que este metal pesado no reviste ningún riesgo para la salud humana.

Concentración de Cobre en Agua de Pozos Noria Proyecto CADEPA

n = 39

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Pozos

Cu m

g/l

Cobre (mg/L)

Figura 10.5. Cobre en agua de pozos noria

Aproximadamente un 80 % de la muestras presentaron concentraciones de zn. La Norma Chilena

establece para el Cinc un nivel crítico de 5 mg/l. El valor medio registrado fue de 0.009, 556 veces

bajo la Norma y un valor máximo de 0.047 mg/l, 106 veces bajo la Norma, por lo tanto, los valores

encontrados en este estudio no revisten ningún riesgo para la salud humana

Concentración de Cinc en Agua de Pozos Noria Proyecto CADEPA

n = 39

00.005

0.010.015

0.020.025

0.030.035

0.040.045

0.05

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Pozos

Zn m

g/l

Zinc (mg/L)

Figura 10.6. Cinc en agua de pozos noria

Aproximadamente un 38 % de la muestras presentaron concentraciones de Níquel como la Norma

Chilena no establece un nivel crítico para este metal, es difícil establecer por ahora, si estas

muestras están sobre o bajo un nivel crítico que pueda afectar la salud humana. El valor medio

obtenido para las muestras fue de 0.0036 mg/l, y el valor máximo encontrado fue de 0.014 mg/l, es

decir 36 veces sobre el valor medio registrado.

Concentración de Níquel en Agua de Pozos Noria Proyecto CADEPA

n = 39

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Pozos

Ni m

g/l

Níquel (mg/L)

Figura 10.7. Níquel en agua de pozos noria

Observación: El análisis químico realizado por el laboratorio del Centro EULA para este

estudio, no encontró en las muestras de agua analizadas concentraciones de Cadmio por sobre el límite de detección de los equipos.

10.4.4 Análisis Estadísticos Mediante el uso del sw SAS para análisis de varianza, se obtuvo las estadísticas básicas y

Coeficiente de Correlación de Pearson. La Matriz de Resultados muestra una correlación

significativa (<0.05 Correlación significativa) entre Conductividad Eléctrica (CE) y Concentración

de Nitratos con un valor <0.001. La matriz también muestra buena correlación entre CE y pH, con

un valor de <0.0031.

Se aplicó mediante el sw splus, el análisis geoestadístico Índice de Moran, para determinar la

dependencia espacial, de las variables estudiadas, el análisis arrojó los resultados mostrados en la

Tabla 10.1.

Tabla 10.1. Índice de Moran

Variable I de Moran Valor de P Observaciones

Conductividad Elect. 0.083 0.001 Dependencia Espacial

Ph 0.099 0.000 Dependencia Espacial

Coliformes Totales -0.019 0.766 s/Dependencia Espacial

Coliformes Fecales -0.011 0.999 s/Dependencia Espacial

Nitratos -0.019 0.753 s/Dependencia Espacial

Cobre -0.022 0.844 s/Dependencia Espacial

• Un valor P < 0.1 evidencia dependencia espacial

Se obtuvieron los variogramas de las variables CE (Figura 10.8) y pH (Figura 10.9) que mostraron

dependencia espacial, para obtener el radio en que cada variable es dependiente. Luego se interpolo

con Krigin. Los mapas obtenidos muestran con precisión, valores de estas variables para sitios no

muestreados dentro del área de estudio.

0 500 1000 1500 2000 2500

0.00

50.

010

0.01

50.

020

0.02

5

Distancia (m)

Varia

nza

(dS/m

)2

Nugget = 0.008 Si ll = 0.021 Rango = 1000 m modelo = esférico

Figura 10.8. Variograma Conductividad Eléctrica

El variograma muestra que la CE, tiene un radio de Dependencia espacial cercano a 1 km.

0 500 1000 1500 2000 2500

0.1

0.2

0.3

0.4

Distancia (m)

Var

ianz

a (u

nida

des)

2

Nugget = 0.074S ill = 0.36Range = 555 mmodelo=esféric o

Figura 10.9. Variograma de pH

El variograma muestra que la variable pH, presenta un radio de dependencia espacial cercano a los

0.5 km.

Las Variables Coliformes Fecales, Coliformes Totales, Nitratos y Metales pesados, que no mostraron

dependencia espacial fueron interpolados en el Módulo espacial de Arc- View, con el Interpolador

Distancia Inversa (IDW). Los mapas obtenidos para las variables de mayor importancia respecto de

la salud se muestran en las figuras 10.10 a 10.14.

Los Mapas obtenidos por IDW, solo constituyen tendencias para cada una de las variables y no

constituyen un método preciso para encontrar concentraciones exactas de ellas en lugares no

muestreados de la zona de estudio. Por lo tanto las zonas que los mapas muestran fuera de norma,

solo debe considerarse como una probabilidad.

10.5 CONCLUSIONES 1. Se encontró altos porcentajes de contaminación del agua de bebida con Coliformes

Fecales y Totales en el área de estudio. Lo que constituye un riesgo potencial para la salud

de las familias afectadas.

2. Todas las muestras de agua del área de estudio registraron concentraciones de nitratos

pero solo una excede la Norma Chilena para Agua de Consumo Humano.

3. Algunas muestras registraron concentraciones de cobre y cinc, todas ellas por debajo de la

Norma Chilena para Agua de Consumo Humano.

4. Algunas muestras presentaron distintas concentraciones de níquel, dicho metal no está

consignado en la norma chilena.

5. Se encontró dependencia espacial, para las variables Conductividad Eléctrica, pH y

Temperatura.

6. No se encontró dependencia Espacial para las variables, Coliformes Fecales, Totales,

Nitratos ni Metales pesados.

7. Es necesario un estudio de continuidad, que determine con un alto porcentaje de de

seguridad el origen de la contaminación por coliformes y nitratos.

10.6 BIBLIOGRAFÍA

Isaaks.-Edward H.; Mohan Srivastava.-R.: An Introduction Applied Geostatistics, New York Oxford,1989. V. Conesa Fdez.- Vítora.: Guía Metodológica para la Evaluación del Impacto Ambiental, Madrid,1997. Informe País.: Estado del Medio Ambiente en Chile, Chile 1999. Instituto Nacional de Normalización. Compendio de Normas Chilenas ‘’Calidad del Agua’’. Chile. 2001.

Figura 10.10. Mapa de distribución de coniformes fecales

Figura 10.11. Mapa de distribución de coniformes totales

Figura 10.12. Mapa de distribución de concentración de cobre

Figura 10.13. Mapa de distribución de níquel

Figura 10.11. Mapa de distribución cinc

CAPITULO 11

ENERGÍAS RENOVABLES PARA EL BOMBEO DE AGUA

AUTORES:

Octavio Lagos. Ing. Civil Agrícola Ms © .

Gabriel Merino. Lic. Física, PhD.

CONSULTORES TECNICOS:

Mario Lillo. Ing. Civil eléctrico, MSc, PhD ©

Hamil Uribe. Ing. Civil Agrícola, Ms.

Yukio Okuda. Ing. Civil Agrícola.

ENERGÍAS RENOVABLES PARA EL BOMBEO DE AGUA

11.1. INTRODUCCIÓN Fuentes de energías renovables, tales como energía solar y eólica, son ampliamente utilizadas en la

agricultura. Su uso se ha desarrollado principalmente para el abastecimiento doméstico de agua y para

proveer de energía a pequeños sistemas de bombeo con fines de riego. Su mayor desarrollo ha estado

orientado a lugares remotos donde comúnmente existen importantes distancias a los sistemas de

distribución de energía eléctrica tradicional.

Estudios y trabajos de campo realizados por INIA en el secano interior de la provincia de Ñuble, han

constatado la dificultad que poseen pequeños agricultores para regar adecuadamente cultivos que

puedan aportar recursos económicos a sus familias. Una de las razones de esta situación, son los costos

operacionales por concepto de energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de equipos de

bombeo. Esto deriva en que, aún existiendo subsidios otorgados por organismos gubernamentales para

implementar sistemas de riegos, estos no son operados adecuadamente debido a los altos costos de

operación en relación a los pequeños ingresos de los agricultores. Esta situación es particularmente

crítica para el caso de riego de huertos frutales debido al lapso de tiempo entre la fecha de plantación y la

entrada en plena producción de los frutales. Lo anterior lleva a considerar sistemas de bombeo

alimentados con energías solar y eólica como alternativas a ser estudiadas como posibles soluciones del

problema. La razón de ello son los mínimos costos de operación que poseen estos sistemas y la madures

tecnológica alcanzada por ellos.

11.2. Energía Fotovoltáica. Los sistemas de bombeo fotovoltaicos son ampliamente utilizados a escala mundial, especialmente en

lugares rurales y remotos. El bombeo fotovoltaico puede ser realizado tanto desde pozos noria, pozos

profundos, riveras y canales.

En la figura 11.1, se ilustra un ejemplo de un sistema de bombeo fotovoltaico en el cual la energía

eléctrica generada en el arreglo fotovoltaico acciona una motobomba de corriente continua, la cual a su

vez bombea agua a un estanque para su posterior distribución.

Acumulación de agua Arreglo fotovoltaico

Bombeo de agua en pozo noria Sistema de riego

Figura 11.1 Representación esquemática de un sistema de bombeo fotovoltaico

11.2.1 Celdas fotovoltáicas

La unidad básica de todo sistema fotovoltaico es la celda fotovoltaica, ya que en ella se transforma la

energía proveniente del sol, en forma de radiación, en energía eléctrica necesaria para accionar la unidad

de bombeo. En términos eléctricos, una celda fotovoltaica actúa como una fuente de corriente continua,

en la cual, la intensidad de corriente generada depende directamente de la radiación incidente sobre ella.

Las celdas fotovoltaicas son fabricadas a partir de semiconductores. En el mercado existen muchos tipos

de celdas fotovoltaicas, existiendo también varios en desarrollo. En ellas se alcanza como máximo un

20% de eficiencia en la conversión de energía solar en energía eléctrica.

Las celdas de silicio cristalino son las más comunes (Figura 11.2) pero las multicristalinas son más

baratas. Otros semiconductores están siendo investigados con el objeto de aumentar el rendimiento y

disminuir los costos.

ARC

unión

Contacto posterior

Emisor tipo n

Base tipo p

finger

Figura 11.2. Representación de la típica celda de silicio usada hoy en día.

La operación de las celdas fotovoltaicas se basa en la unión de dos semiconductores dopados con

impurezas. Tal unión al ser iluminada por la luz solar genera una diferencia de voltaje entre sus extremos,

de aproximadamente 0.5 V, y una corriente eléctrica. La corriente eléctrica generada por la celda

dependerá fuertemente de la intensidad de la radiación que incide sobre ella, no así el voltaje generado

por la celda fotovoltaica, cuya magnitud permanece casi constante una vez que la celda fotovoltaica es

iluminada.

La corriente eléctrica generada en la unión en el semiconductor es extraída por contactos al frente y en la

parte posterior de la celda fotovoltaica. La estructura del contacto superior, la cual permite el paso de luz,

es ampliamente espaciada mediante tiras delgadas de metal, llamadas fingers (dedos), los cuales surten

de corriente a los conductores eléctricos que conectan las celdas entre sí. Además, la celda está cubierta

con una delgada capa de material dieléctrico antirreflectante para un mejor aprovechamiento de la

radiación incidente.

11.2.2 Módulo fotovoltaico

Las celdas fotovoltaicas descritas anteriormente, solo son capaces de generar pequeños voltajes y

corrientes por lo cual deben ser conectadas en serie y/o en paralelo para generar corrientes y voltajes

apropiados al sistema que se requiere alimentar. De esta forma surgen los módulos fotovoltaicos como

se ilustra en la Figura 11.3.

Celda Fotovoltaica

Módulo fotovoltaico Figura 11.3. Representación del módulo fotovoltaico.

La potencia eléctrica generada por un módulo fotovoltaico depende del número y la forma en que hayan

sido conectadas las celdas que lo conforman y además, de la radiación solar y temperatura a que se

encuentren las celdas en un momento dado. Por otra parte, la potencia nominal de un módulo fotovoltaico

en Watt [W], corresponde a la potencia entregada por el módulo bajo condiciones estándares de

radiación y temperatura, las cuales corresponden a:

Irradianza: 1 kW/m2

Temperatura de la celda fotovoltaica: 25º C

11.2.3 Curvas de corriente - voltaje características de los módulos

Cada módulo fotovoltaico tiene una curva corriente-voltaje característica, la cual representa los posibles

puntos corriente-voltaje a los cuales podría operar el módulo en condiciones nominales, cuales son una

irradianza de 1000 W/m2 y temperatura de la celda fotovoltaica de 25º C. Esta curva varía de acuerdo a

las condiciones ambientales de radiación y temperatura imperantes. La corriente capaz de ser generada

por un módulo fotovoltaico varía fuertemente con los niveles de radiación imperantes y lo mismo ocurre

para el voltaje pero en función de la temperatura de las celdas. Estas variaciones se ilustran en la figura

11.4

Punto de operación

1/R

Figura 11.4. Curva característica corriente-voltaje de un módulo fotovoltaico.

El punto de operación del sistema, vale decir la corriente y voltaje en que opera el sistema en un instante

dado, estará dado por la intersección entre la curva corriente-voltaje del módulo fotovoltaico y la curva

corriente-voltaje de la carga eléctrica (motobomba, baterías, etc.) que estén conectadas a los módulos.

Por tal razón si se conecta directamente una motobomba a los módulos la corriente consumida por la

bomba estará directamente determinada por la corriente y voltaje que es capaz de generar cada módulo

de acuerdo a las condiciones ambientales imperantes.

Otro aspecto importante a considerar es que la corriente eléctrica que generan los módulos es de tipo

continua y con voltajes nominales de 12 o 24 V (dependiendo del módulo) a diferencia de la tensión

alterna de 220 V que proviene de la red eléctrica en nuestro país. Este hecho obliga a usar cargas

eléctricas que operen en corriente continua, las cuales por lo general son de baja potencia o en su

defecto a utilizar inversores de corriente que transformen corriente continua en corriente alterna.

11.2.4 Arreglo fotovoltaico Éste es la parte medular de un sistema fotovoltaico. Consiste en módulos interconectados para generar la

potencia que alimenta el sistema. En esta unidad los módulos fotovoltaicos son conectados

eléctricamente en serie para generar el voltaje y corriente necesarios para operar la motobomba o para

cargar baterías dependiendo de la configuración del sistema de bombeo. A una potencia nominal dada

del sistema se puede aumentar el voltaje conectando una mayor cantidad de módulos en serie con la

consiguiente disminución de módulos conectados en paralelo y por lo tanto con disminución de la

corriente. La figura 11.5 esquematiza un arreglo fotovoltaico.

Arreglo Fotovoltaico

Módulos en serie

Módulos en paralelo

Figura 11.5. Esquema general de un arreglo fotovoltaico.

11.2.5 Configuración del sistema de bombeo fotovoltaico Existen múltiples configuraciones posibles para un sistema de bombeo basado en energía fotovoltaica.

Para decidir cual de ellas será implementada en un proyecto de bombeo es necesario considerar las

particularidades inherentes al proyecto en cuestión. La Figura 11.6, ilustra en forma general las diferentes

componentes que conforman un sistema de bombeo fotovoltaico, siendo la mayoría de ellas opcionales

dependiendo de la aplicación particular, con excepción de la motobomba y arreglo fotovoltaico.

Tal como se mencionó anteriormente es posible alimentar una motobomba de corriente continua

directamente desde el arreglo fotovoltaico con lo cual se evita el uso de baterías, regulador de carga e

inversor. La autonomía de funcionamiento para un sistema así configurado, durante días de baja

radiación, se puede lograr mediante la incorporación de un tanque de almacenamiento. Una desventaja

de tal sistema será la baja eficiencia de funcionamiento de la bomba debido a las fluctuaciones

temporales de radiación que inciden en la corriente eléctrica que alimenta la bomba.

Soporte panelsPanel FotovoltaicoSIMBOLOGIA

Regulador de CargaControl

1

34

2

6

3

1

2

5

4

5 Banco baterías6 Bomba DC

Figura 11.6. Componentes de un sistema de bombeo fotovoltaico

11.2.6 Baterías eléctricas Otra opción para lograr autonomía de funcionamiento, es adicionar a la configuración anterior un banco

de baterías y regulador de carga. Las baterías permiten mantener en la bomba voltaje y corriente casi

constante con lo cual se mejora notablemente la eficiencia de funcionamiento de la bomba y a la vez se

almacena energía en las baterías lo que permite el funcionamiento del sistema durante días de baja

radiación o durante horas nocturnas. También es posible agregar un estanque de almacenamiento de

agua para reducir el tamaño del banco de baterías. Las baterías más usadas son las baterías de plomo-

ácido de ciclo profundo. La razón de ello es que éstas soportan ciclos de descarga de hasta un 80% de

su capacidad. La vida útil de ellas normalmente alcanza a los 7 u 8 años si los sistemas han sido

diseñados e instalados adecuadamente. Cabe recalcar que si se ha decidido incorporar baterías con el

propósito de almacenar energía, el dimensionamiento del banco de baterías debe ser estudiado

acuciosamente ya que el banco de baterías puede representar una componente sustantiva en los costos

del sistema.

11.2.7 Regulador de carga Una componente esencial del sistema de bombeo, cuando se han incorporado baterías en este, lo

constituye el regulador de carga. En efecto este artefacto protege al banco de baterías de descargas

excesivas provocadas por la unidad de bombeo y de sobrecargas provocadas por el arreglo fotovoltaico.

De no ser incluida esta componente la vida útil de las baterías sería reducida notablemente. Este

artefacto por una parte desconecta la bomba del sistema en el caso de que las baterías estén

descargadas y no se disponga de radiación solar suficiente para el funcionamiento de la bomba, y por

otra desconecta el arreglo fotovoltaico del banco de baterías si éstas están a carga máxima.

11.2.8 Inversor de corriente Existen circunstancias en las cuales podría resultar conveniente transformar la corriente continua que

produce el arreglo fotovoltaico y la corriente que entregan las baterías en corriente alterna. Una situación

típica de esto es cuando los caudales de bombeo requieren una potencia cercana o superior a 1 kW. Bajo

estas circunstancias de no pasar de 12 ó 24V en corriente continua a 220V en corriente alterna las

corrientes serian demasiado altas por lo que se haría necesario usar conductores demasiado gruesos y

equipos de control capaces de funcionar con corrientes altas lo cual generalmente los encarece

considerablemente. Por otro lado las motobombas de corriente alterna son de menor costo que las

bombas de corriente continua aunque a veces esto es compensado por el costo extra del inversor en el

sistema.

11.2.9 Ejemplo práctico de un sistema fotovoltaico de bombeo Este sistema esta diseñado para rendir 5600 lt/día en los meses estivales y 480 lt/día en los meses de

invierno, los rendimientos fueron calculados considerando una irradiación solar promedio de 28.5 MJ/m2

en verano y 5.5 MJ/m2 en invierno. El sistema permite tener una autonomía de funcionamiento de 2 días

en verano y 4 días en invierno.

11.2.9.1. Configuración del sistema de bombeo fotovoltaico El sistema de bombeo fotovoltaico esta conformado por los siguientes componentes:

Tres paneles fotovoltaicos

Dos baterías de ciclo profundo

Un regulador de carga

Una bomba de corriente continua

Accesorios eléctricos y soportes correspondientes

Foto 11.1. Instalación de Módulos Fotovoltaicos.

Los paneles instalados en este sistema poseen una potencia máxima de funcionamiento de 94 W cada

uno y están conectados en paralelo. Esta configuración, con tal arreglo fotovoltaico, entrega una

capacidad máxima de 32 volt de tensión y de 8.8 amperes bajo condiciones estándar de radiación y

temperatura, esto es a radiación solar de 1000 W/m2 y temperatura de los paneles de 25 ºC.

Los paneles están instalados sobre un soporte metálico especialmente construido para ellos. Tal soporte

permite cambiar la inclinación de los paneles de acuerdo a la estación del año, aumentando de esta

forma la eficiencia en el uso de la radiación solar disponible. Para este fin el soporte posee partes

ajustables y una graduación fácilmente legible por parte de las personas encargadas del mantenimiento y

operación del sistema. Cabe hacer notar lo indispensable que resulta el limpiar los paneles

periódicamente del posible polvo que se acumulará durante los meses estivales.

Foto 11.2. Ajuste de la inclinación de los paneles Fotovoltaicos.

El arreglo fotovoltaico así constituido entrega corriente continua y voltaje al banco de baterías. El banco

de baterías ha sido diseñado para aportar al sistema autonomía de funcionamiento durante periodos de

tiempo de baja radiación solar. Para tal efecto se han dispuesto dos baterías de 130 amperes-hora

conectadas en serie. El tipo de baterías utilizadas corresponde a las denominadas de ciclo profundo, las

cuales permiten ciclos repetitivos de descarga hasta un 80 % de la capacidad de almacenamiento de la

capacidad nominal de estas. Tales características aseguran una vida útil de las baterías de

aproximadamente 7 años.

Con el objeto de proteger al sistema de baterías de descargas excesivas provocadas por la unidad de

bombeo y de sobrecargas provocadas por el arreglo fotovoltaico se ha incorporado en el sistema un

regulador de carga. Este artefacto por una parte desconecta la bomba del sistema en el caso de que las

baterías estén descargadas y no se disponga de radiación solar suficiente para el funcionamiento de la

bomba, y por otra desconecta el arreglo fotovoltaico del banco de baterías si éstas están a carga máxima.

Foto 11.3. Regulador de carga.

El agua bombeada por el sistema se obtiene desde un pozo noria el cual está ubicado a 50 metros del

arreglo fotovoltaico y baterías. En este lugar se ha instalado una bomba accionada por un motor de

corriente continua con una potencia nominal de 80 W. El voltaje y corriente de operación de la moto

bomba son de 24 volts y 2,7 amperes respectivamente. La unidad de bombeo tiene un caudal de

bombeo de 13 lt/min a una altura total dinámica de 10 m.c.a., pudiendo operar hasta con 30 m.c.a.

Además, la moto bomba contiene un sensor de presión que permite que ésta sea accionada

automáticamente toda vez que se accionan las válvulas de agua para el riego.

Foto 11.4. Bomba DC, 24V.

11.2.10 Costos asociados al sistema fotovoltaico de bombeo Cuadro 11.1. Detalle de los costos de un sistema fotovoltaico

Sistema FotovoltaicoPrecio Precio

SISTEMA FOTOVOLTAICO Cant Unidad Unitario U$ Total U$PANELES SOLARESSoporte metalico paneles 1 u 150,0 150,0Modulo fotovoltaico Isofoton I94, 24V, 94 W, 2,94A 3 u 691,7 2075,0

ACCESORIOSRegulador de Carga Steca solarix Sigma 24V 20A 1 u 133,3 133,3Cables y elementos electricos en caseta 1 Gl 16,7 16,7

Caja metálica 1 u 50,0 50,0

BATERIASBaterias Exide ciclo profundo, 130Ah, 12V 2 u 141,7 283,3Bornes Baterias, Cables 1 gl 16,7 16,7

TENDIDO ELECTRICOCables, fittings eléctricos, postes , conectores 1 gl 66,7 66,7Zanjas 4,2 m3 2,5 10,5Instalación eléctrica 1 gl 166,7 166,7

EQUIPO BOMBEOBomba Shurflo 24V. 1 u 60,0 60,0sistema Flotacion 1 u 16,7 16,7fittings 1 gl 16,7 16,7instalación hidráulica 1 gl 16,7 16,7

SUBTOTAL 3079Imprevistos Gastos Generales 5% 154

TOTAL U$ 3.233

11.3. Energía Eólica Los sistemas de bombeo electro eólicos también son usados ampliamente a través del mundo. Sin

embargo, su aplicación es menos difundida que los sistemas fotovoltaicos. Una importante razón para

ello es la dificultad existente para predecir el rendimiento de tales sistemas. En efecto, la elevada

variabilidad espacial y temporal del viento y los escasos datos registrados de esta variable ambiental

dificultan una predicción asertiva de la potencia obtenible en un lugar determinado. Otra desventaja es la

escasa oferta de turbinas en los mercados, esto último es especialmente válido en el mercado chileno

donde este tipo de tecnologías esta en estado incipiente lo cual dificulta una adecuada elección de las

componentes de los sistemas y a la vez encarece los mismos.

La figura 11.7 ilustra una configuración general para sistemas de bombeo electro eólico.

11 7 8

5

1011

89

76

1

34

2

Fusible

Regulador de carga

10

Bomba

6

Banco bateríasSwich desconexión

TierraTierra

54 3

Turbina eólica

Amperímetroswich paradaTorre

SIMBOLOGIA

9

2

1

Figura 11.7. Configuración sistema bombeo

11.3.1. Turbina eólica En este tipo de sistemas la parte medular es la turbina eólica o aerogenerador. Esta unidad como su

nombre lo indica genera potencia eléctrica a partir del efecto rotacional que el viento ejerce en sus aspas.

La tecnología asociada a estas turbinas varía de acuerdo a los niveles de potencia considerados. En el

caso de aplicaciones de baja potencia (hasta 10kW), las turbinas generan potencia por medio de un

alternador que genera inicialmente corriente alterna para luego ser convertida a corriente continua por un

sistema basado en diodos. La capacidad de generación de una turbina, como función de la velocidad del

viento, esta especificada a través de la curva de potencia asociada a ella la cual es proporcionada por los

fabricantes. La Figura 6-8 ilustra una curva asociada a una turbina en particular.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25Velocidad del Viento (m s-1)

Pote

ncia

(W)

Figura 11.8. Curva de generación de potencia de una turbina versus velocidad de viento

Como se aprecia en esta curva la potencia generada por la turbina es altamente dependiente de las

velocidades de viento que puedan existir en un lugar dado. Por tal razón resulta indispensable conocer, al

menos en forma aproximada, una idea de los regímenes de viento que se pueden encontrar en un sitio

específico antes de aventurar la elección de una turbina dada.

11.3.2. Torre de soporte Una parte fundamental del sistema electroeólico es la torre en cuyo extremo se instala la turbina. Esta

debe estar situada lejos de obstáculos que afecten la velocidad del viento y a la vez, no más lejos de lo

necesario del pozo o fuente de agua para evitar pérdidas de voltaje innecesarias en los conductores. Hay

que tener presente al momento de elegir su lugar de instalación, que una de las ventajas de los sistemas

electroeólicos en relación con los sistemas de viento mecánicos, es que en los electroeólicos se puede

instalar la turbina en un sitio donde los vientos sean lo más favorables independiente de la ubicación de

la fuente de agua. Otro aspecto importante es la altura de la torre, ya que la velocidad del viento cambia

en forma importante en función de la altura. La figura 11.9 esquematiza este fenómeno.

10 m

25 m

V

Figura 11.9. Curva de la variación de la velocidad de viento con la altura

Como regla general y para pequeñas turbinas utilizadas para bombeo, se puede afirmar que los costos

de la torre no aumentan significativamente al incrementar la altura de la torre desde 10 a 25m. A

diferencia del costo, la cantidad de energía aprovechable podría incrementarse incluso en un cien por

ciento.

11.3.3. Regulador de carga La mayoría de las turbinas eólicas de baja potencia disponibles en el mercado han sido diseñadas para

carga de baterías, por tal razón tienen incorporado un regulador de carga interno que evita la carga

excesiva de baterías. Este regulador sin embargo no evita la descarga excesiva de las baterías por lo

cual para el caso en que se conecte la bomba directamente a las baterías se hace necesario incorporar

otro regulador entre estos elementos que evite tal descarga excesiva.

11.3.4. Ejemplo práctico de un sistema de bombeo electroeólico La unidad de bombeo eólica ha sido dimensionada para el riego de diversos cultivos aprovechando al

máximo el pozo noria existente en el lugar. El caudal de bombeo ha sido establecido en 30 lt/min

aproximadamente, pero se desconoce la estadística de velocidades del viento en el sitio y altura donde

ha sido ubicada la turbina, por lo cual no se puede adelantar cual será el aporte de agua logrado con el

sistema.

El sistema de bombeo eólico estará conformado por:

• Aerogenerador

• Torre de soporte

• Tres Baterías de ciclo profundo

• Una bomba de corriente continua

• Regulador de Carga

• Accesorios eléctricos

La componente medular de este sistema lo constituye el generador eléctrico eólico. Tal unidad genera

corriente continua a 12 volt. El generador tiene una potencia nominal de 400 W y posee un regulador de

voltaje interno que evita la sobre carga del banco de baterías alimentado por el generador.

Foto 11.5. Generador eléctrico eólico

El aerogenerador ha sido instalado a una altura de 25 m sobre el relieve local en una torre metálica

tubular especialmente diseñada para tal propósito. La altura de ubicación fue calculada para optimizar el

funcionamiento del aerogenerador considerando los regímenes de velocidad de viento como función de

altura obtenidos en el Campus Chillán de la Universidad de Concepción. La torre de soporte consta de

tubos de fierro de 3 pulgadas de diámetro y dos milímetros de espesor y es sostenida por 16 vientos de

cable acerado fijados a 4 anclas de 1 m de longitud.

Foto 11.6. Torre metálica 25 m soporte de turbina eólica.

El aerogenerador alimenta un banco de batería de 3 unidades conectadas en paralelo con una capacidad

de almacenamiento total de 390 Ah. Para evitar una descarga excesiva del banco de baterías, el sistema

incorpora un regulador de carga entre las baterías y la bomba, cuya función es desconectar esta última

cuando la energía almacenada en las baterías alcance un 20% de su capacidad.

11.3.5 Costos de Instalación de los sistemas de bombeo electro eólico. Los costos de instalación del sistema se encuentran detallados en el cuadro 11.2.

Cuadro 11.2. Detalle de los costos de un sistema eólico.

Sistema EólicoPrecio Precio

SISTEMA EOLICO Cant Unidad Unitario U$ Total U$TURBINAAerogenerador 400 W, 12 V 1 u 1200,0 1200,0

TORRETorre metalica turbina H= 25m 1 u 450,0 450,0

ACCESORIOS

Regulador de Carga 12 V 1 u 130,0 130,0Accesorios eléctricos 1 gl 66,7 66,7Caja metálica 1 u 75,0 75,0

BATERIASBaterias Exide ciclo profundo, 130Ah, 12V 3 u 141,7 425,0Bornes Baterias, cables 1 gl 16,7 16,7

TENDIDO ELECTRICOCables conectores, fitting eléctrico 1 gl 83,3 83,3Fletes 1 gl 33,3 33,3Instalación eléctrica 1 gl 166,7 166,7

EQUIPO BOMBEOBomba Shurflo 12V 1 u 133,3 133,3fittings 1 gl 16,7 16,7instalación hidráulica 1 gl 16,7 16,7

SUBTOTAL 2813Imprevistos Gastos Generales5% 141

TOTAL U$ 2.954

CAPÍTULO 12

EL CLIMA EN EL ÁREA AGROECOLÓGICA DEL SECANO INTERIOR

AUTOR:

Isaac Maldonado I., Ing. Agrónomo

CONSULTORES TECNICOS:

Mario Mellado Z., Ing. Agr. M.S.

1 Héctor Sánchez V., Ing. Agr.

2

EL CLIMA EN EL ÁREA AGROECOLÓGICA DEL SECANO INTERIOR 12.1. INTRODUCCIÓN El clima de un área define la presencia y el comportamiento de las especies animales y vegetales

que estén presentes; es más la predominancia de unas o la desaparición de otras esta fuertemente

influenciada por este factor.

Desde las primeras civilizaciones el hombre a buscado y utilizando las mas diversas formas para

conocer el comportamiento del clima, y en lo posible predecir lo que pueda acontecer, con

suficiente anticipación, para poder tomar las providencias del caso ante la ocurrencia de

catástrofes climáticas.

En el sector silvoagropecuario es el clima la variable que el hombre no puede manejar y que al

presentar fuertes variaciones incidirá en los resultados productivos que se puedan obtener aún

cuando se haya realizado una gestión administrativa ordenada y eficiente. De ahí la importancia

que tiene el conocer las condiciones climáticas del área en la que se desea producir.

12.2. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA. El área del secano interior de las regiones VII y VIII se encuentra ubicada entre la vertiente

oriental de la Cordillera de la costa y el Valle regado, que incluye los suelos arroceros de esta

misma área. (Figura 12.1.).

En la figura 12.2. se presenta un corte transversal de Chile la altura del paralelo 36º 30’ S que

muestra las diferentes elevaciones del territorio, su distancia al mar, y las zonas agroecológicas.

En esta área se puede observar un paisaje ondulado que genera sectores bajos y protegidos, a

diferencia de los sectores mas elevados, por lo que el comportamiento de alguna de las variables

climáticas que afectan el desarrollo de los cultivos puede diferir entre estos puntos, tales como: la

velocidad del viento, que tiende a ser menor en los sectores mas protegidos, la presencia de

heladas en los sectores bajos donde se acumulan masas de aire frío, de igual manera la humedad

del suelo que tiende a ser mayor en los sectores bajos, donde se concentra el escurrimiento natural

de las aguas.

Figura 12.1. Áreas Agro-ecológicas de la VII y la VIII Región de Chile

Figura 12.2. Corte transversal de Chile indicando la ubicación de las áreas agroecológicas en la

latitud 36º 30’ S.

3

4

Foto 12.3. Vista general del secano Interior

Además en el área del Secano Interior, y producto del laboreo de los suelos a través de los años

que ocasionó un gran deterioro de los suelos por efecto de la erosión ocasionada por la lluvia y que

si bien registra un promedio anual relativamente bajo con 600 a 900mm, un 80% se concentra en 4

meses, que coincide con la época en que el suelo está desprotegido produciendo un arrastre de

importante volúmenes de suelo hacia los cursos naturales de agua

12.2.1. El Clima De acuerdo a la clasificación de Papadakis éste corresponde a un clima Mediterráneo Marino, con

valores promedios de precipitación 640 -1.100 mm, concentrándose un 80% del total de agua caída

en los meses de Marzo a Agosto, en tanto que las temperaturas promedio del aire fluctúan de 13.3

ºC a 15.6 ºC con los máximos en el mes de Enero que alcanzan valores de 27 a 31.1 ºC y las

temperaturas mínimas van de 3.9 - 5.2 ºC en el mes de julio. La suma térmica base 5ºC fluctúa de

3547 a 3850 y las horas de frío oscilan entre 850 a 1200 horas (Del Pozo y Del Canto, 1999).

En el área del secano Interior se diferencian, a su vez tres agroclimas en la medida que se avanza

hacia el sur: agroclima de Hualañe, de Cauquenes, y Angol, En la tabla 12-1 se presentan los

rangos promedios entre los que fluctúan las principales variables climáticas de uso

silvoagropecuario.

5

TEMPERATURA ANUAL (ºC) Suma Térmica

Agroclima Media Mínima

(Julio) Máxima (Enero)

PLH* Horas Frío

5ºC 10ºC

Período Crecimiento

(Meses)

Hualañe 15.6 5.2 29.5 8 871 3.853 2040 6

Cauquenes 14.7 4.7 27.0 6 a 7 1.154 3.518 1.727 6

Angol 13.3 4.4 28.0 --- ---- 3.009 1.334 7

(*) PLH = Período Libre de Heladas

Tabla 12.1. Información climática de los tres agroclimas que se identifican en el área del secano

interior.

12.3. INFORMACIÓN CLIMÁTICA DEL SECTOR DE HUALAÑE Y CAUQUENES, VII RECION A continuación se presentan gráficos con las variables climáticos más relevantes en dos puntos de

la VII Región, Hualañé y Cauquenes (información climática obtenida de Del Pozo y Del Canto,

1999).

Hualañe

0

10

20

30

40

Meses de Observación

Tem

pera

tura

ºC

Tº Media 21,6 20,5 18,7 16,3 13,4 10,1 9,6 10,4 12,7 15,2 18,5 20

Tº Máxima 29,5 28,7 26,4 23,5 18,8 14,2 13,9 15,9 18,5 21,4 25,2 27,3

Tº Mínima 13,6 12,3 10,9 9 7,9 6 5,2 4,9 6,8 9 11,7 12,7

Tº Mín. Abs.

En feb Mar Ab May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Cauquenes

-10

010

2030

40

Meses de Observación

Tem

pera

tura

ºC

Tº Media 19,8 20,3 18 15,7 12 9,5 9,2 9,7 11,4 13,4 16,6 19,4

Tº Máxima 27 28,8 26,1 22,3 17,3 13,7 13,6 14,6 17,4 19,6 24,2 27,3

Tº Mínima 12,5 11,8 9,8 7,6 6,6 5,2 4,7 4,7 5,3 7,1 9 11,4

Tº Mín. Abs. 8,3 7,5 4,9 2,4 0,3 -1,5 -1,6 -0,3 0,2 2,3 4,8 7,2

En feb Mar Ab May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Figura 12.4. Fluctuación de la temperatura del aire en el sector Hualañé y Cauquenes

6

Cauquenes

0

100

200

300

400

500

600

Meses del Ano

Gra

dos

Dia

s

0

50

100

150

200

250

Hor

as d

e Fr

io

G D 5 459 428 403 300 217 189 130 146 192 260 348 446

GD 10 304 288 248 150 62 39 42 105 198 291

HF Est. 0 0 24 70 130 224 238 228 137 62 41 0

En feb Mar Ab May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Hualañe

0

100

200

300

400

500

600

Meses de Observación

Gra

dos

Día

s

0

50

100

150

200

250

Hor

as F

río

G D 5 515 434 425 339 260 153 143 167 231 316 405 465

GD 10 360 294 270 189 105 3 12 81 161 255 310

HF Est. 0 2 9 50 99 153 189 192 120 47 11 2

En feb Mar Ab May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Figura 12.5. Acumulación mensual de Grados Días Base 5º’C (GD5), Base 10ºC (GD10) y Horas

de Frío Estimadas (HF Est., <7ºC) en el sector Hualañé y Cauquenes.

7

Cauquenes

0

50

100

150

200

250

300

Meses de Observacion

Pp y

ETP

(mm

)

02468101214

Indi

ce d

e H

umed

ad

(IH)

Precipitación 8 5 9 37 121 153 147 186 52 30 18 10

ETP 218 181 141 84 38 23 27 40 62 94 114 192

IH 0 0 0.1 0.4 3.3 11 7.2 3.4 1.6 0.7 1 0

En feb Mar Ab May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Hualane

0

50

100

150

200

250

300

Meses de Observacion

Pp y

ETP

(mm

)

0

2

4

6

8

10

12

14

Indi

ce d

e H

umed

ad (I

H)

Precipitación 2 0 9 18 182 239 149 74 43 54 14 10

ETP 176 144 102 72 32 20 20 34 51 76 122 130

IH 0 0 0.1 0.3 5.7 12 10 3.6 1.6 1.1 0.2 0.1

En feb Mar Ab May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Figura 12.6. Fluctuación de la Precipitación, Evapotranspiración (ETP) e Índice de Humedad (IH),

en el sector de Hualañé y Cauquenes.

8

12.5. INFORMACIÓN CLIMÁTICA DEL SECTOR DE NINHUE Y PORTEZUELO EN LA VIII REGIÓN

La información disponible para el Sector San José de Ninhue registra datos desde el mes de mayo

de 2002 al 30 de Agosto de 2004, en tanto que la información proveniente de la localidad de

Portezuelo corresponde al período enero 1997 a diciembre 2003.

San José de Ninhue

-5,00,05,0

10,015,020,025,030,035,040,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes de Observación

Tem

pera

tura

(ºC

)

Tº Mín. Abs. Tº Mín. Tº Media Tº Máx. Tº Máx. Abs.

Portezuelo

-5,0

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes de Observación

Tem

pera

tura

(ºC

)

Tº Media Tº Mín. Tº Máx. Tº Mín. Abs. Tº Máx. Abs.

Figura 12.7. Fluctuación de la temperatura del aire en el período 2002 – 2004, sector San José de Ninhue y Portezuelo.

9

San Jose de Ninhue

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

Mes de Observación

Gra

dos

Día

s

Grados días 312.9 254.9 247.4 117.4 41.8 25.0 7.5 31.8 42.7 99.8 160.0 214.9

Horas Frío 0.0 0.0 0.0 26.0 106.7 156.0 231.0 144.0 81.5 33.5 2.5 1.0

En Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Portezuelo

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

Mes de Obobservacion

Gra

dos

Dia

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

Hor

as F

rioGrados días 283.6182.1 151.6 89.8 73.0 20.8 8.3 22.2 49.0 120.8171.6 214.8

Horas Frío 0.6 2.7 3.0 19.0 107.3 173.9229.4100.7 65.6 14.4 2.9 0.0

En Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Figura 12.8. Acumulación mensual de Grados Días base 10ºC y Horas de Frío (<7ºC) registrados

en el sector San José de Ninhue y Portezuelo.

10

San Jose de Ninhue

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

Mes de Observación

Prec

ip. y

ETP

(mm

)

0.01.02.03.04.05.06.07.08.0

Ínic

e de

Hum

edad

(IH

)

Precip. 2.6 1.9 22.9 44.1 88.3 128.7 112.1 95.7 54.3 64.9 44.6 8.7

ETP 224.9 180.8 140.7 82.2 52.4 35.6 43.8 64.2 93.5 133.8 170.0 211.0

IH 0.0 0.0 0.2 0.5 2.4 7.2 5.3 2.8 0.7 0.5 0.3 0.0

En Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

PORTEZUELO

0.050.0

100.0150.0200.0250.0

Mes de Observación

Prec

ip. y

ETP

(mm

)

0.02.04.06.08.010.012.014.016.0

Índi

ce H

umed

ad (I

H)

mm. 8.3 34.513.1 20.8163. 210. 112. 121. 90.454.3 30.0 5.1

mm. 199. 119. 92.3 77.544.0 30.3 36.943.0 77.1126. 155. 164.

IH 0.0 0.3 0.1 0.3 6.5 14.5 6.5 5.8 2.0 0.4 0.2 0.0

En Feb Mar Abr Ma Jun Jul Ago Sep Oct No Dic

Figura 12.9. Fluctuación de la Precipitación, Evapotranspiración e Índice de Humedad en el sector

San José de Ninhue y Portezuelo.

11

San Jose de Ninhue

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Mes de Observación

Velo

cida

d de

Vie

nto

(m/s

)

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

Dir.

del

Vie

nto

(0º-3

60º)

Vel. Vto. 2.0 1.8 1.6 1.3 1.2 1.5 1.5 1.4 1.5 1.8 1.8 1.9

Dir Vto. 240.8 240.1 231.2 230.7 199.4 226.6 216.7 220.2 245.0 246.0 247.0 247.9

En Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

PORTEZUELO

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Mes de Observación

Vel.

de V

ient

o (m

/s)

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

Dir.

Vie

nto

(0º-3

60º)

Vel. Vto. 4.0 2.8 2.4 2.5 2.1 2.3 2.2 2.5 2.8 3.2 3.2 3.5

Dir Vto. 196.9 137.0 165.6 197.1 215.5 224.7 210.8 231.6 214.5 209.3 204.4 163.9

En Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Figura 12.10. Fluctuación de la velocidad (m/s) y la dirección del viento (0-360º) en el sector San

José de Ninhue y Portezuelo.

12.5. ESTUDIO DE ADAPTACIÓN DE LOS CULTIVOS AL CLIMA DEL ÁREA En esta zona en los años 1980 a 1985 INIA Quilamapu realizó un estudio respecto de la situación

productiva del área con la finalidad de mejorar la situación de los agricultores del secano. La

producción de esta área se caracterizaba en el caso de trigo con rendimientos promedios de 10 a

15 qq/ha, utilizando variedades locales como Milquinientos entre otras, cuya principal característica

era su hábito de crecimiento tardío que las exponía a fuertes períodos de estrés, dado que además

de ser una variedad de bajo potencial genético tenía importantes requerimientos de agua durante

12

13

los meses de Octubre y Noviembre. Se agrava la situación de esta área dado que además

muestra una fuerte presencia de suelos graníticos con baja capacidad de retención de humedad

del suelo.

La solución fue introducir variedades precoces, que al momento de escasear el agua, estas ya

habían cubierto los períodos críticos. En la Figura 12-11 se representa como cambió los niveles

productivos al ajustar la variedad de trigo que mejor se adaptaba a las condiciones climáticas del

área (Maldonado et al 1982).

12.6. REQUERIMIENTOS TÉRMICOS 12.6.1. Horas Frío Corresponde al número de horas acumuladas con temperaturas por debajo de 7ºC, desde el

primero de noviembre hasta finales de febrero.

Un número insuficiente de horas-frío puede provocar problemas en los frutales como: caída de

yemas, desfase en las brotaciones, aumento del añerismo en algunas especies y otros efectos

fisiológicos.

Tabla 12.2. Necesidades de frío invernal para las especies frutales más relevantes.

ESPECIE HORAS BAJO 7 ºC

Almendro 200 a 550

Avellano 100 a 1600

Castaño 100 a 400

Cerezo 700 a 1300

Ciruelo europeo 600 a 900

Ciruelo japonés 600 a 900

Damasco 600 a 900

Duraznero 500 a 1.000

Kiwi 250 a 600

Manzano 800 a 1500

Membrillo 400 a 900

Nectarino 500 a 1.000

Nogal 700 a 1000

Peral 700 a 1500

Vid 500 a 750

14

VAR

IED

AD

TA

RD

IA

VAR

IED

AD

PR

ECO

Z

BA

LAN

CE

HID

RIC

O

Agu

aFa

lta

nte

Agu

a po

nib

e D

isl

15

Al observar la Tabla 12.2. puede apreciar que los rangos para las diferentes especies difieren

bastante; además el rango de variación para cada especie también es alto dependiendo de la

variedad que se desee introducir.

12.6.2. Grados Días o Sumas Térmicas

Corresponde a la estimación de la energía que una planta tiene a su disposición cada día, la

cual le permite su crecimiento y desarrollo, y se calcula en base a la diferencia entre la

temperatura promedio diaria y el valor de la temperatura base (10ºC o 5ºC). Este factor

dependerá de la especie con que se trabaje.

En la Tabla 12.3. se presenta los requerimientos térmicos y el largo del período de crecimiento

vegetativo de algunas de las especies frutales más comunes (CIREN-CORFO, 1989).

12.7. BIBLIOGRAFÍA

Bowen, C.R., and S.E. Hollinger 2002: Alternative Crops Web Site, 2 July 2002, Illinois

State Water Survey, Champaign Illinois, http://www.sws.uiuc.edu/data/altcrops/

(07/11/2004).

CIREN-CORFO 1989: Requerimientos de Clima y Suelo Frutales de Hoja Caduca. Centro

de Información de Recursos Naturales. Santiago, Chile. 79pp.

Del Pozo L., Alejandro y Del Canto S., Pedro 1999: Áreas Agroclimáticas y Sistemas

Productivos en la VII y la VIII Región.

Maldonado I., Isaac, et al 1983 Producción de Trigo en el Secano Interior. I. Limitantes y

Expectativas de producción del Área.

Temperaturas (ºC) ESPECIE Suma Térmica (>10ºC)

(de yema hinchada a cosecha) Máxima Absoluta

Máxima Optima

Mínima Optima

Crítica de heladas

Periodo de crecimiento (Días)

Almendro 1000 a 1200 40 25 20 -1 220 a 240 Castaño 800 a 1500 38 25 15 -2 220 a 250

Cerezo 300 a 700 36 24 18 -1.5 180 - 210

Ciruelo europeo 450 a 1100 37 27 18 -1 220 a 250

Ciruelo japonés 450 a 1100 37 27 18 -1 220 a 250

Damasco 550 a 950 40 24 18 -2 190 a 220

Duraznero 450 a 800 40 27 21 -1 190 a 220

Kiwi 1200 a 1500 40 28 21 0 210 a 240

Manzano 900 a 1200 35 24 18 -2 230 a 250

Membrillo 1000 a 1400 37 25 20 -2 230 a 260

Nectarino 400 a 800 40 27 21 -1 180 a 210

Nogal 1300 a 1700 38 28 21 -2 230 a 250

Olivo (*) ---- 35 28 22 -2 120 - 270

Peral 690 a 1500 38 26 20 -1,5 210 a 240

Vid 900 a 1500 44 26 20 0 230 a 260

Tabla 12.3. Requerimientos térmicos y largo del período vegetativo correspondientes a las especies frutales más comunes.

16