Experiencias innovadoras para abordar problemas de los recursos ... · debe ser planificado, ya que...

Experiencias innovadoras para abordar problemas de los recursos hídricos

La recarga artificial de acuíferos con agua tratada: las experiencias de Barcelona

(España) y Aguascalientes (México)FELIP ORTUÑO GOBERNHidrogeólogo Principal

ITASCA S.A. Santiago de Chile

[email protected]

IV Jornada Técnica ALHSUD Chile, Santiago, 27 de Septiembre 2016

INDICE

1. La recarga artificial de acuíferos como recurso hídrico alternativo.

1. Conceptos de recarga artificial2. Gestión de la recarga artificial (MAR)

2. Proyectos de recarga artificial con agua tratada:1. La barrera hidráulica contra la intrusión marina en Barcelona2. Recarga artificial en un acuífero sobreexplotado en México


Conceptos de recarga artificial de acuíferos


La Recarga Artificial puede definirsecomo aquellas acciones controladas porel hombre que transfieren agua desde la superficie a los acuíferos.

La Recarga Artificial tiene comoobjetivo introducir agua en el acuíferopara diferentes fines: su recuperaciónposterior, la mejora de su calidad, o evitar el deterioro del acuífero.

Los caudales de recarga, la metodología de recarga, la calidad del agua y dónde se realiza son variables que deben ser consideradas en un Plan de Gestión de Recarga Artificial para acuíferos (MAR)

¿Qué es la Recarga Artificial de acuíferos?


La Recarga Artificial es un componente relativamente nuevo en la planificación hidráulica en Latinoamérica. Existen experiencias existosas en California, Israel, Barcelona, Australia, París, entre otras.

La implementación de sistemas de Recarga Artificial permite una mejor explotación de los acuíferos al aumentar sus recursos y sus reservas.

Cada sistema de Recarga Artificial debe ser planificado, ya que impacta en la gestión de los recursos hídricos subterráneos de una cuenca y en su balance.

ARS1

ARS 2

ARS 3

ARS 4

Irrig 1

2

3


Problemas

Satisfacer la demanda de agua

Mejorar la calidad del agua subterránea

Protección de acuíferos

Tratamiento de efluentes

Respuesta de la Recarga Artificial

Almacenamiento de agua en el acuífero para su posterior recuperación.

Mezcla de aguas.

Recarga artificial como barrera hidráulica

Tratamiento a través de la zona no saturada y almacenamiento


TIPOS DE RECARGA ARTIFICIAL DE ACUIFEROS: Balsas de recarga Escarificado de ríos Presas fluviales Pozos de zona vadosa Pozos de inyección directa


Gestión de la Recarga Artificial (Managed Aquifer Recharge)



MANAGED AQUIFER RECHARGE (gestión de la recargaartificial):

• MAR: es una herramienta de gestión de acuíferos, pero no es“la solución” contra la sobreexplotación.

• MAR: muy efectiva dentro de un enfoque hídrico global paracontrolar extracciones y restaurar equilibrios en acuíferos.

• MAR: potencial muy importante en zonas áridas para:

- episodios de sequía: garantizar los suministros- gestión participativa de las cuencas- aprovechamiento de aguas de tormenta- reutilización de aguas depuradas (regeneradas)


• DURABILIDAD: COLMATACIÓN DE LOS SISTEMAS (tanto lossuperficiales como por inyección directa)

• CALIDAD (transporte y degradación de compuestos orgánicos,reacciones químicas, aspectos microbiológicos)

• RECURSOS NO CONVENCIONALES (agua tratada). Aparición decontaminantes emergentes

MANAGED AQUIFER RECHARGE (gestión de la recargaartificial):

En estudio en diversos ámbitos de Cataluña.

Escarificado del río Llobregat (realizado por Agbar durante años)

Balsas de recarga: en proyecto en el Valle Bajo del Llobregat. En servicio en la Cubeta de Sant Andreu.

Inyección directa mediante pozos en Cornellá por Agbar (agua potable de red).

En Catalunya la recarga de acuíferos con agua tratada, procedente de plantas depuradoras, está planificada en el PRAC (Programa de Reutilización de Agua en Cataluña), cuyas actuaciones están incluidas en el Programa de Medidas del actual Plan de Gestión del Distrito de Cuenca Fluvial de Cataluña, elaborado por la Agencia Catalana del Agua.

a) AGUAS SUPERFICIALES

b) AGUAS TRATADAS PROCEDENTES DE DEPURADORAS


MAR en Cataluña (España): se incluye dentro del Plan de Gestión del Distrito de Cuenca de Cataluña

Papel del agua tratada (regenerada) en el futuro:

• Riesgo sanitario básicamente ligado a patógenos (microbios)

• Incertidumbre? Fiabilidad de procesos naturales para reducir supervivencia de los patógenos

• Necesidad de desarrollar:

[1] tratamientos económicamente viables

[2] marco regulatorio adecuado

[3] mejores evaluaciones de riesgo y de gestión


53%

39%

8%

28%28%

44%

2008 OBJETIVO PRAC

Reutilización directa

No reutilizada

Reutilización indirecta

El objetivo era incrementar la reutilización directa hasta 158 hm3/año, para mejorar la garantía de los abastecimientos, sobre todo mediante:

1) Substitución de recursos utilizados en usos agrícolas

2) Substitución de recursos en la industria

3) Recarga de acuíferos

Uso de los caudales depurados:

Objetivos del Programa de Reutilización de Agua en Cataluña (PRAC)


MAR EN CATALUÑA: SITUACIÓN ACTUAL Y PREVISTA (de acuerdo al Plan de Gestión):


Proyectos de recarga artificial con agua tratada:

• Barrera hidráulica contra la intrusión marina en Barcelona.

• Inyección de agua tratada contra la sobreexplotación de un acuífero en México.


El acuífero del Llobregat y el problema de la intrusión marina


El acuífero del delta del Llobregat se utiliza principalmente para el abastecimiento urbano.

Es un recurso de agua estratégico para la ciudad de Barcelona y su área metropolitana.

ACUÍFERO PRINCIPAL LIMOS CONFINANTES

A

B

Acuífero: gravas y arenas de elevada permeabilidad (100 a 10,000 m2/día)

Características del acuífero:


Evolución de las extracciones en los acuíferos de la Vall Baixa y Delta del Llobregat

Extracciones:

El acuífero se utiliza principalmente para abastecimiento potable a la ciudad de Barcelona y su área Metropolitana.

Los recursos subterráneos fueron sobreexplotadosdurante décadas. Actualmente se ha creado ya una Comunidad de Usuarios y las extracciones han disminuido sensiblemente. Aun se está lejos del valor sostenible, que se sitúa sobre los 40 hm3/año. 40 hm3/a

Extracciones del acuífero principal del Llobregat en el 2007.

Abastecimiento Aguas de Barcelona

71%

Agrícola5%

Abastecimiento Aguas de El Prat

7%

Resto Abastecimientos

2%

Industrial15%

Total: 53.1 hm3


Concentración de cloruros en el acuífero principal del Llobregat (2007)

Sobreexplotación

Los niveles del acuífero han estado bajo el nivel del mar desde 1960

El agua marina intruye el acuífero, moviéndose desde la costa hacia el interior

La intrusión marina afecta una tercera parte de la superficie del delta del Llobregat, causando el deterioro de la calidad de agua subterránea, y muchos problemas a pozos para

el abastecimiento urbano e industrial.

Principales frentes de intrusión

Barcelona

Pozos de El Prat

Zona industrial

Pozos de AGBAR

Aeropuerto

Extracción de agua subterránea: Empieza ≈1890 Principal desarrollo: 1940 – 1960 En 1970’s ≈ 120 hm3/año En 2009 ≈ 55 hm3/año Valor sostenible ≈ 40 hm3/año


Acciones para mejorar el recurso y la calidad del agua en el Valle Bajo y Delta del Llobregat

1. Realización de un Plan de Ordenación de Extracciones.

2. Recarga por escarificación del lecho del río.

3. Recarga artificial en los pozos de Agbar.

4. Recarga artificial mediante balsas.

5. Barrera hidráulica contra la intrusión marina.

2

3

4

5

4

1

Concentración de cloruros en el acuífero principal del Llobregat en el 2007


Recarga del acuífero del Baix Llobregat

Barcelona

BARRERA CONTRA LA INTRUSIÓN

100% Agua tratada. Actualmente parada.

BALSAS DE RECARGA

EN SUPERFICIE

Agua tratada o del río

En pruebas (ENSAT) / En proyecto

ESCARIFICACIÓN DEL LECHO

Agua del río

En servicio

INYECCIÓN DIRECTA

Agua del río potabilizada

En servicio (ocasional)

La barrera hidráulica contra la intrusión marina del Llobregat

(España)


El objetivo de la barrera es frenar el avance de la intrusión marina mediante la inyección de agua en una batería de pozos paralelos a la línea de costa. El valor añadido al proyecto es que en este caso se utilizaba agua tratada regenerada para la inyección. La barrera hidráulica en el Llobregat es un proyecto pionero en Europa.

(US Geol. Survey, Fact Sheet 030-02)

Sin intrusión marina

Con intrusión marina

Barrera hidráulica

Concepto de barrera hidráulica:


Fase 2: Zona Franca7 pozos de inyección

Fase 2: Zona Prat4 pozos de inyección

Fase 1:4 pozos de inyección

PTAR: Estación Depuradora de

Aguas Residuales

Barcelona

Concentración de cloruros en el acuífero principal del Llobregat en el 2007

El Prat del Llobregat

Fase Caudal(m3/día) no. pozos En operación

1 (piloto) 2,500 4 Marzo 20072 15,000 (total) 14 Abril 2010

Fases del proyecto de la barrera hidráulica:


Agua de inyección

El agua de inyección proviene de la PTAR de El Baix Llobregat, cerca de Barcelona, y pasa por diferentes tratamientos.

El control de su calidad se hace de acuerdo con los requerimientos de la Agencia de Protección de la Salud, y cumple los parámetros sanitarios del RD 140/2003 de calidad de agua para consumo.

SECUNDARIO TERCIARIO

ULTRAFILTRACIÓN

Usos ambientales (río y zonas húmedas)

ÓSMOSISDESINFECCIÓN

POZOS DE INYECCIÓN

PTAR

Baix Llobregat

50 a 65%

35 a 50%

Planta de tratamiento avanzado de agua para la barrera


PLANTA DE TRATAMIENTO AVANZADO DE AGUA PARA LA BARRERA HIDRÁULICA

TRATAMIENTO TERCIARIO

TRATAMIENTO SECUNDARIO

PTAR DEL BAIX LLOBREGAT (BARCELONA)


Ósmosis InversaDesinfección (UV)

Ultrafiltración

Planta de Tratamiento Avanzado de Agua para la Barrera Hidráulica La inyección empezó el 26 de Marzo del 2007. Se inyectaron desde entonces más de 4,300,000 m3 de agua tratada en el acuífero. La barrera está parada desde el 16 de junio del 2011.


Pozos de inyección y red de control en el acuífero en la primera fase:Pozos de inyección

Puntos de control

EDAR

BAIX LLOBREGAT

Fase I o piloto

4 pozos de inyección en la primera fase equipados en superficie y en profundidad.

8 puntos en la red de control del acuífero.


Sistema de control y pozos de inyección en la primera fase:

En el centro de control se almacenaban cada hora medidas del nivel en cada pozo, caudal y volumen inyectado, y los parámetros físico-químicos del agua de inyección. También se almacenaban cada hora los volúmenes de tratamiento de la planta de agua.


Fase 1: Red de control en el acuífero

TABERSA

TOTAL P6

CLARIANT P4

GEARBOX PRATGEARBOX PRAT

Piezómetro ACA B-7-B

CLARIANT P5

Piezómetro MP-47 TOTAL P4

Muestreo de la red de control:

Medida de niveles en pozos Bombeo

Recogida de las muestras

Calibrado de aparatos de medida


0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

02-maig-10 21-juny-10 10-ag-10 29-set-10 18-nov-10 07-gen-11

mg/

l NH4 media: 0.19 mg/l NH4

Amonio

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

22-gen-10

13-març-10

2-maig-10

21-juny-10

10-ag-10

29-set-10

18-nov-10

7-gen-11

uS/c

m

media: 1849 uS/cm

Conductividad eléctrica

Control del agua de inyección:

Continuo: Conductividad, temperatura, amonio, pH y turbidez.

Quincenal: E. Coli, nemátodos, clostridium perfingens, P, Ntotal, NO3, NH4, Cl, TOC.

Bimensual: elementos mayoritarios, compuestos nitrógeno, metales, compuestos organoclorados, cianuro, fluoruro, mercurio y TSD.

Anual: análisis completo de potabilidad.


Calidad media del agua inyectada:

EC (µS/cm) T (ºC) pH Eh (mv) Turb (NTU)1,849 21.4 7,4 513 < 0,09

Características físico-químicas:

Cl SO4 HCO3 Na K Ca Mg NO3 Si347 121 170 169 29 74 25 5,8 3,5

Componentes mayoritarios (mg/l):

Al As Ba B Cd Co Mn Mo Ni Pb Sb Se V Zn37 1,0 <25 141 <5 <25 24 2,5 15 <1 <5 0,6 <25 24

Componentes minoritarios y metales (µg/l):

Ntot Ptot COD BOD TOC4,0 0,8 <30 <10 4,9

Otras características químicas (mg/l):

coliformes escherichia coli nemátodosno detectados no detectados no detectado

Componentes microbiológicos:


Pozos de inyección

Puntos de la red de control

0 300 m

ANTES DE LA INYECCIÓN

DESPUÉS DE 2 AÑOS DE INYECCIÓN

CLORUROS

El contenido de cloruros en el acuífero en la primera fase disminuyó en casi todos los puntos de control.

No se observaron fenómenos de colmatación en los pozos de inyección.


BICARBONATO

MAGNESIO

SULFATO

SODIO

CALCIO

ARSÉNICO

NITRATO

POTASIO

Primera fase: evolución otros componentes en el agua del acuífero:

Se constató también una mejora en el acuífero en sodio, magnesio, sulfato, calcio y potasio. Se vigiló el arsénico, aunque su movilización era poco probable si se mantenían los pH del agua de inyección, y los nitratos, ligeramente presentes en el agua de inyección.

BARRERA HIDRÁULICA

FASE 1

Concentración inicial de cloruros

Mayo 2007

Llegenda<1 g/l Cl1-2 g/l Cl2-3 g/l Cl3-4 g/l Cl4-5 g/l Cl5-6 g/l Cl6-7 g/l Cl7-8 g/l Cl8-9 g/l Cl9-10 g/l Cl10-11 g/l Cl11-12 g/l Cl12-13 g/l Cl

Concentración de cloruros en el acuífero:

Concentración de cloruros después de 1 año

Mayo 2008


Concentración de cloruros después de 2 años

Mayo 2009


Fase 2: Zona Franca

Fase 2: Zona Prat

Fase 1

PTAR

Barcelona

Concentración de cloruros en el acuífero principal del Delta del

Llobregat (2007)

SEGUNDA FASE: 14 pozos de inyección


Fase 2: Zona Franca

Fase 2: Zona Prat

Fase 1

Planta de Tratamiento de Agua Residual

Barcelona

Pozo de inyección (14)

Pozo industrial (13)

Piezómetro existente (7)

Nuevo piezómetro (17)

La red de control de toda la barrera está formada por 51 puntos.

Se controlaban más de 30 Km2 de acuífero para conocer su impacto.

Red de control de la barrera completa:


Nivel en los piezómetros de control:

INICIO FASE 2 BARRERA

Todos los piezómetros de control mostraron en 8 meses niveles piezométricos por encima del nivel del mar, y en cotas comprendidas entre 0 y 3 msnm.

La barrera funcionaba, ya que manteniendo así el nivel en el acuífero se evitaba la progresión de la intrusión marina hacia el interior.


Evolución de la concentración de cloruros en el acuífero con la barrera hidráulica (2010-2040)

Inversión total para la construcción de la barrera: 23 M€

Aportados por la Agencia Catalana del Agua y el Ministerio de MedioAmbiente y Medio Rural y Marino. Parte de la misma está financiada confondos FEDER de la Unión Europea.

Planta de tratamiento avanzado para producir 15,000 m3/día de agua tratada dealta calidad (potable).

Más de 7 Km. de tuberías de conducción de agua.

14 pozos de inyección (construcción y equipamiento).

17 nuevos piezómetros de control con sistemas remotos (construcción y equipamiento).

Costo de explotación (Q inyección: 8,300 m3/día): 0.19 €/m3 de agua inyectada

Costos fijos (membranas, personal, ...): 0.09 €/m3

Costos variables (reactivos): 0.04 €/m3

Energía (0.63 Kw/h/m3): 0.05 €/m3

Consultoría hidrogeológica y análisis hidroquímicos: 0.01 €/m3

Para un caudal de inyección de 15,000 m3/día se estimaba un coste de explotación de 0.15 €/m3


Recarga artificial con agua tratada en un acuífero

sobreexplotado en México


XIII Congreso de Hidrogeología ALHSUD, Mérida, México, 24 -26 de Agosto 2016

La demanda total de agua en Aguascalientes es de unos 485 Mm3/año (datos del año 2010).

El principal consumo es para la agricultura (335 Mm3/año). La producción de forrajes para la industria lechera es el principal consumidor hídrico, ya que Aguascalientes produce unos 900.000 litros de leche al día.

El abastecimiento urbano y doméstico es de unos 120 Mm3/año, un 20% del total, y la industria en Aguascalientes necesita ahora unos 10 Mm3/año.

La mayoría de los recursos hídricos proceden del acuífero del Valle de Aguascalientes, del cual se extraen unos 430 Mm3 al año por medio de más de 2,000 pozos.

UsoVolumen Estimado (Mm3/año)

Agrícola 334.7Público - Urbano 117.1

Industrial 9.2Servicios 4.6Pecuario 5.0

Múltiple y otros 14.8Total 485.4

Agrícola74%

Público Urbano

20%

Industrial2%

Servicios1%

Otros3%

1) La demanda de agua y los recursos hídricos de Ags.

El acuífero del Valle de Aguascalientes (México) está intensamente sobreexplotado.

La extracción de agua de los pozos (485 Mm3/año) supera en mucho la recarga natural, que se da principalmente por la infiltración de la lluvia (168 Mm3/año). Ello provoca el consumo de las reservas hídricas del acuífero y el abatimiento de los niveles freáticos.

El acuífero también se recarga por las pérdidas de las redes de abastecimiento (38 Mm3/año) y saneamiento (12 Mm3/año). El volumen de agua almacenada

es cada vez menor y el consumo de las reservas de agua es alarmante. El descenso de las reservas hídricas desde 1993 a 2010 se estima, en promedio, de 76 Mm3 cada año.

El modelo de explotación actual de los recursos hídricos no es sostenible y compromete seriamente el desarrollo socioeconómico del Estado.


Consecuencias de la sobreexplotación (1):Abatimiento anual del nivel del agua del acuífero de 1.5 a 4 m.

Deterioro de la calidad de agua para el abastecimiento urbano. Aparecen elementos nocivos en el agua subterránea como flúor, arsénico, hierro y mercurio, entre otros.

Fuente: CNA 2004

1965 2000 20101970 1975 1980 1985 1990

NE33m

NE100m

NE115m

20

30

40

50

60

70

80

10

90

100

110

120

150

200

300

0m

NE87m

NE48m NE

54m NE65m

NE130m

Nivel Estático165 a 190 m

1995


Consecuencias de la sobreexplotación (2): Sobrecostos en la extracción del agua cada vez más profunda.

Agrietamiento del terreno: más de 300 km de grietas en la ciudad de Aguascalientes.


Acciones:

1.Realizar un Estudio de Diagnostico del acuífero para cuantificar en detalle el déficit hídrico.

2.Establecer escenarios futuros de planificación hídrica.

3.Realizar un Plan de Gestión del acuífero que incluya como alternativa un Plan de Recarga Artificial como elemento de gestión hídrica.

4.Planificar y realizar una Prueba Piloto de recarga artificial.


El Plan de Recarga Artificial para el acuífero de Aguascalientes estableció:

1. los volúmenes de agua disponibles para recargar;

2. los métodos de Recarga Artificial más aconsejables;

3. las mejores zonas de inyección;

4. la calidad del agua requerida en la recarga y sus tratamientos;

5. los sistemas de inyección y de control ;

6. los costos estimados de los diferentes Sistemas de Recarga Artificial.

Los objetivos prioritarios son la sustentabilidad del acuífero y la mejora de la garantía del abastecimiento urbano



¿Cómo recargar el acuífero?

Mediante recarga directa con pozos de inyección.

La gran profundidad del agua por los abatimientos en el acuífero y la geología heterogénea, con capas de tobas poco permeables, desaconsejan el uso de balsas superficiales de recarga.

Los modelos numéricos de infiltración de agua realizados a través de la zona no saturada del terreno, dan como resultado que mediante balsas de recarga superficial el agua tardaría entre 1 y 5 años en alcanzar el acuífero.


¿Cuánta agua se puede recargar y con qué tratamientos y calidades?

No existen cursos fluviales, por lo que toda el agua de recarga ha de ser agua residual procedente de PTAR tratada y regenerada para su reutilización.

El agua de recarga debe cumplir calidad de agua potable de acuerdo con la norma NOM-014-CONAGUA-2003 de Agosto del 2009.

Los tratamientos a realizar a los efluentes de la PTAR han de ser terciarios avanzados con desnitrificación, ultrafiltración, desinfección y, en parte, osmosis inversa para cumplir la Norma.

Se dispone de unos 31 Mm3/año de agua procedente de efluentes de PTAR cercanas a las zonas de inyección y sin comprometer. El volumen total a recargar después de los tratamientos se estima en unos 25 Mm3/año aproximadamente.

Caudal disponible procedente de PTAR para recarga artificial del acuífero

La prueba piloto de recarga artificial está ya en marcha.

Cuenta con 3 pozos de inyección y 11 de observación, e inyectará 30 l/s de agua residual tratada en el acuífero.

Se monitorearán, identificarán y modelizarán los efectos de la inyección en el acuífero y en los pozos de abastecimiento con la finalidad de demostrar la viabilidad de la recarga artificial.


131 m160 m

307 m

550 m

73 m

115 m

A

A’

AA’



K = 20 m/d K = 1 m/d

Modelo numérico local de flujo y transporte. Porcentaje del agua de recarga en el acuífero después de 4 años.

Las estimaciones iniciales prevén que el impacto de la recarga será local, y que no se llegará a afectar, al menos en 4 años, a ningún pozo de abastecimiento urbano de CAPAMA.

Experiencias innovadoras para abordar problemas de los recursos hídricos

La recarga artificial de acuíferos con agua tratada: las experiencias de Barcelona

(España) y Aguascalientes (México)FELIP ORTUÑO GOBERNHidrogeólogo Principal

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