CAPTACION DE AGUAS SUBTERRANEAS

SILVIA BARRAZA PAVA

YULI JARAMILLO BOLAÑO (que mande los panes de 300 COMO MINIMO)

CARLOS ORTIZ LAZA

TATIANA SALINAS CESAR

HUGO SUAREZ GUERRA

BENJAMÍN ÁLVAREZ

Ingeniero Civil

UNIVERSIDAD DE CARTAGENA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

CARTAGENA D. T Y C.

2008

DISEÑO DE AREA DE CAPTACIONES

El pozo, como obra de captación de un acuífero, lo constituye una rejilla de captación, el centralizador, la tubería de revestimiento, la empacadura de grava (si es necesario), la bomba y accesorios complementarios para el funcionamiento correcto durante el periodo de diseño.

Cuando se conocen las características y propiedades del pozo, se determina la forma de diseño para el aprovechamiento del mismo de la forma más ventajosa. Un buen diseño depende así de la cantidad de datos disponibles,; es por esto que se debe conocer las formaciones atravesadas, situación de tope, y piso de la formación acuífera, granulometría de las arenas, el valor de la permeabilidad, la calidad del agua, la posición del nivel estático, etc.

Cada caso de diseño de un pozo se puede considerar particular y cambiara de acuerdo a la naturaleza y condiciones del acuífero. Para ello será conveniente definir los datos de entrada:

1. Diámetro2. Profundidad3. Tipo de pozo4. Longitud de la zona de captación5. Área libre de captación y abertura6. Engrosado del pozo

DATOS DE SALIDA

1. Selección del material y tipo de rejilla. 2. Tamaño de la rejilla.3. Diseño Del Revestimiento4. Análisis granulométrico.

POROSIDAD, PERMEABILIDAD, TRANSMISIBILIDAD, RETENCION ESPECIFICA, PRODUCCIÓN ESPECIFICA, COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO.

Porosidad:

Se define como el conjunto de aberturas o intersticios ínter granulares de las rocas. Cuando estos poros están interconectados entre si existe la posibilidad del movimiento de agua. De otra forma se puede decir, que la porosidad es una medida del contenido de vacíos o intersticios y se expresa como un porcentaje del espacio vació respecto del volumen total.

α = ( a / Vt ) * 100

α = Porosidad

a = Volumen de vacíos

Vt = Volumen total

La porosidad es afectada por los siguientes factores: grado de compactación del material, forma y arreglo de las partículas y gradación de las articulas, pero es independiente del tamaño delas mismas. Esta varia entre 0 y 50 por 100.

Permeabilidad “K”:

La permeabilidad de una roca es una medida de su capacidad para permitir el paso de un fluido bajo un gradiente hidráulico. Esta permeabilidad o libertad del movimiento de agua a través de un material poroso, depende de: tamaño de las partículas, forma de las partículas, gradación del material, y viscosidad.

Transmisibilidad “T”:

Es una medida de la capacidad de un acuífero para conducir o transmitir agua y se define como: el volumen de agua que pasa en la unidad de tiempo a través de una franja vertical de acuífero de ancho unitario extendida en todo el espesor saturado, cuando el gradiente hidráulico es unitario y a una temperatura de 60º F.

T = K x m

T = Transmisibilidad

K = Permeabilidad

m = Espesor del acuífero

Esta se expresa en m3/ día / m

Retención específica:

Es la cantidad de agua retenida por el material contra la fuerza de la gravedad, dividida por el volumen total del material poroso . La retención especifica es mayor en arenas finas que en gravas y arenas gruesas.

Rs = ( at / Vt ) *100

Rs = Retención especifica

at = Volumen de agua retenida

Vt = Volumen total

El rendimiento específico sumado a la retención específica es igual a la porosidad.

Rendimiento específico o producción específica:

Es la relación del volumen de agua drenable por la gravedad de un terreno y el volumen total de este.

Ps = ( ad / Vt ) *100

Ps = Producción especifica

ad = Agua drenada

Vt = Volumen total

Coeficiente de almacenamiento “S”:

Es el volumen de agua que un acuífero cede o toma en almacenamiento por unidad de área del mismo y por unidad de cambio en el nivel piezométrico.En acuíferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual el rendimiento específico, ya que la mayor parte del agua proviene del volumen almacenado, y es drenado por gravedad.En acuíferos confinados, el agua proviene de la expansión de la misma y la compresión del esqueleto del acuífero.

El coeficiente de almacenamiento no tiene unidades como puede inferirse de su definición. Varia entre 0.01 y 0.5 en acuíferos libres y entre 10-3 y 10-6 en acuíferos confinados.Las características hidráulicas de los acuíferos pueden determinarse en el campo por medio de:

1. Pruebas de bombeo (extracción o recarga). Éste método es el más utilizado ya que permite evaluaciones más representativas en un periodo de tiempo relativamente corto.

2. Estudiando las variaciones seculares o periódicas de los niveles piezométricos, o las inducidas en forma artificial. Éste es el más económico pero requiere un gran volumen de información y registros no siempre disponibles.

3. Por medio de trazadores, naturales o artificiales. Exige tecnología especializada que no siempre está al alcance del hidrólogo, pero que puede ser muy útil donde existen organizaciones que presten este servicio dentro de un marco de cooperación interdisciplinaria.

Caudal de diseño

Las obras de captación de aguas subterránea deben tener una capacidad igual al caudal máximo diario, QMD, si se cuenta con almacenamiento. En caso de no tener almacenamiento, la capacidad de la obra debe ser igual al caudal máximo horario, QMH.1

Calidad del agua crudaDurante la operación del pozo debe hacerse un muestreo de la calidad del agua según las siguientes disposiciones: 1. para el nivel bajo de complejidad debe hacerse un muestre como mínimo cada mes, el cual debe incluir.coliformes totales y fecales y Demanda Bioquímica de Oxigeno 2. para el nivel medio de complejidad debe hacerse un muestreo como mínimo cada semana, el cual debe incluir: coliformes totales y fecales y Demanda Bioquímica de Oxigeno, sólidos suspendidos totales, ph, alcalinidad y dureza

1 Tomado de RAS 2000, titulo B.5.4.2

3. para los niveles medio alto y alto de complejidad debe hacerse un muestre diario, el cual debe incluir, además de lo exigido en los otros niveles, fluoruros, cluoruros, alcalinidad total, hierro y dureza.4. los muestreos para determinar la calidad del agua debe ajustarse a las normas técnicas NTC ISO 5667-3, NTC ISO 5667-11, GTC30 y AWWA A-100, sección 12. Todos los registros de los resultados de las muestras deben guardarse y tenerse a disposición de la SSPD. En caso de que la calidad del agua sea inferior a la mínima establecida en las normas ambientales correspondientes, la entidad encargada de la operación debe tomar las medidas de control de contaminación necesaria y adelantar un programa de recuperación del acuífero.

DATOS DE SALIDA

Diseño Del Revestimiento:

Varios métodos se han desarrollado para la selección de la grava. Un método cuya aplicación se ha generalizado bastante es el de la Universidad de Minnesota. Procedimiento:

1. Se hace el ensayo granulométrico de la muestra de la formación.2. Se grafican los porcentajes retenidos por cada cedazo.3. A partir de la curva granulométrica de la formación natural se obtiene una curva

teórica de la grava basada en los siguientes criterios:a. El valor modal correspondiente al 70% de la grava, debe representar un

valor de 4 a 6 veces el de la arena. Para tales efectos se recomienda 4, cuando la arena es fina y uniforme, y el máximo de 6 para arenas gruesas y no uniformes.

b. Se busca para la grava un coeficiente de uniformidad menor de 2.5.c. Se traza una curva que satisfaga estos dos criterio, para ello puede

utilizarse como auxilio el tamaño efectivo de la grava, seleccionándose de 9 a 12 veces el de la arena.

d. Se determina el 405 retenido y se traza la curva de la grava con los tres puntos definidos, manteniendo cierta analogía con la de la arena.

e. Se seleccionan 4 tamices estándar. En vista de que no es posible encontrar grava que satisfaga enteramente esa granulometría y teniendo en cuenta las múltiples alternativas en el dibujo de la curva, habrá que permitir cierto rango de variación.

Se considera que la diferencia de los porcentajes retenidos puede ser del orden del 8% por debajo, 8% por arriba con lo cual podemos dibujar un haz de curvas que satisfaría la condición dada.

Selección del Material y Tipo de Rejilla:

Los principales factores a considerar en la selección del material y tipo de rejilla son:

El grado de mineralización del agua, lo cual refleja su carácter corrosivo o incrustante.

Si se trata de aguas corrosivas, estas provocarán una destrucción mas rápida en las zonas mas débiles de la captación, y cualquier aumento en la temperatura contribuirá al paste del material granular (arena) no previsto en el diseño. Por esta razón debe seleccionarse un material que soporte bien la corrosión. El grado o severidad de la corrosividad permitirá seleccionar un material con mayor o con menor resistencia a esta acción destructora, tomando en cuenta los costos de la rejilla.

Algunas características indicadoras del grado de corrosividad son:o PH del agua y P.D. de saturación. Valores del índice de Langelier

negativo indican aguas corrosivas, y valores positivos indican aguas incrustantes.Indice de Langelier = pH – pHs

o La presencia de oxigeno disuelto contribuye a la corrosividad de aguas subterráneas.

o El contenido de dióxido de Carbono (CO2) en aguas por encima de ciertos límites tiende a darle características corrosivas.(50-60 mg/lts).

o En aguas con contenidos de cloruros que excedan a 600 mg/lts. Se esperan características corrosivas.

o La presencia de sulfuros de hidrógeno (H2S).o El grado de mineralización.

En las aguas incrustantes existirá la tendencia d depósitos de minerales que tienden a obstruir la rejilla de captación. Entre otros:

o El alto contenido de carbonato cálcico produce acumulación de sedimentos que obstruyen el área libre de captación.

o La precipitación de hierro.o El contenido de manganeso en presencia de oxigeno y a pH alto dan por

resultado incrustaciones de depósitos de manganeso.

Presencia de película bacteriana. Algunas bacterias no patógenas presentes en aguas subterráneas como son las bacterias ferruginosas, sulfurosas y manganésicas, pueden ocasionar obstrucción del área libre de captación mediante la formación de masas gelatinosas. Debido al efecto combinado del crecimiento de estos organismos y la precipitación del hierro disuelto, se produce la obstrucción de la rejilla la cual puede ser eliminado por las acciones de agentes corrosivos como el cloro y el ácido clorhídrico, requiriéndose una rejilla construida de material resistente a la corrosión.

La resistencia estructural de la rejilla impuesta por las condiciones de esfuerzo a las cuales puede estar sometida.Generalmente una rejilla está sometida a esfuerzos de compresión y a esfuerzo de presión lateral, pero a veces puede también estar sometida a esfuerzos de tensión, como es el caso de rejillas en posiciones intermedias en la longitud total del pozo.La resistencia estructural estará en función del módulo de elasticidad del material, por lo cual, además de satisfacer condiciones de calidad del agua, debe absorber los esfuerzos a los cuales estará sometida.Se pueden satisfacer los requisitos de resistencia estructural mediante miembros verticales mas resistentes o colocando mayor número de ellos cuando se trate de

compensar esfuerzos de compresión o tensión mayores y colocando miembros horizontales mas gruesos cuando se trate de absorber mayores presiones laterales.

Selección del Tamaño de la Rejilla de Captación:

Teóricamente, lo mas conveniente sería colocar una rejilla con una abertura tal que el 100% de la grava sea retenido, sin embargo se admite que el porcentaje de retención sea de aproximadamente de un 90%.

El U.S.Bureau of reclamation considera que la mejor abertura es la mayor que permita la estabilización del granzón. De acuerdo a ello recomienda escoger la abertura en la misma forma que para pozos desarrollados manualmente es decir, igual a la mitad de la malla determinada por el D85 (15% retenido) y seleccionar la malla comercial inferior.

Análisis granulométrico

Se debe realizar un análisis granulométrico a la zona donde se va realizar la excavación, para conocer las características del material, luego se elaboran las curvas granulométricas que nos permiten identificar que estrato del suelo requiere de empacadura.

El tamaño del empaque de grava debe definirse dependiendo del diámetro de la rejilla y de la granulometría natural del acuífero teniendo en cuenta las siguientes disposiciones:

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

2. cuando el acuífero tenga una granulometría uniforme, el tamaño correspondiente al 50% de material que pasa en la curva granulométrica, D50, del empaque debe ser 4 veces el tamaño D50 del material de la formación acuífera.

3. si la granulometría es no uniforme, el tamaño D50 del empaque debe ser 6 veces el tamaño D50 de la formación acuífera.

4. el coeficiente de uniformidad del empaque debe esta-r entre 1.7 y 2.5.

La granulometría debe establecerse según la norma NTC 1522(ASTM C136).2

MÉTODO DE EQUILIBRIO

El aprovechamiento de un acuífero puede ocurrir bajo dos condiciones:

1. Condición de equilibrio

2 Tomado de RAS 2000, titulo B, capitulo B.5.5.3.2

2. Condición de desequilibrio

Aquí nos limitaremos a la condición de equilibrio.

Método o Condición de equilibrio.

Al extraer agua de un acuífero, por medio de un pozo, el agua se acerca al pozo desde todas las direcciones en forma radial, convergiendo hacia el, y el área de penetración va disminuyendo constantemente.

El agua extraída en los momentos iniciales del bombeo procede de su alrededor, pero a medida que se prolonga el bombeo, el pozo se alimenta de almacenaje a distancias mayores, provocando en el acuífero la formación de un cono invertido que se denomina cono de presión o cono de influencia.

Cuando el hundimiento se hace menor, se concluye que el cono ha alcanzado una posición estable y no se expandirá mas o hundirá con el bombeo y la condición de equilibrio se satisface.

ECUACIONES QUE GOBIERNAN LOS ARTICULOS ACUÍFEROS (LIBRES) Y CONFINADOS

Acuíferos Libres:

Q = K π x h 2 1 - h 2 0

2.31 log r1

r2

Esta es la ecuación que representa la expresión para acuíferos libres bajo condiciones de equilibrio.

Acuíferos Confinados:

Q =2 π Km x h1 - h0

2.31 log r1

r2

Ecuación aplicable a acuíferos confinados bajo la condición de equilibrio.

Q = rendimiento del pozo o caudal de bombeo en m3/hora.

K = permeabilidad de la formación en m/hora.

h 1= espesor saturado del acuífero, antes del bombeo, en metros.

h0= profundidad del agua en el pozo, durante el bombeo, en metros.

r1= radio del cono de depresión, en metros.

r2 = radio del pozo, en metros.

m = espesor del acuífero, en metros.

Existen algunas limitaciones que dan cierta restricción en la determinación delos gastos, así:

1. El acuífero es isótropo2. El espesor es constante3. El pozo penetra todo el espesor del acuífero.4. El nivel estático es horizontal5. El flujo es laminar6. La condición de equilibrio existe7. El pozo bombeado es 100 por 100 eficiente

Otra utilidad de estas ecuaciones es que permite determinar en el campo la permeabilidad del acuífero y además la separación conveniente entre pozos para que no se produzca interferencia entre ellos

POZOS: DIÁMETRO / CAUDAL

Si queremos extraer un gasto Q, será condición necesaria que el acuífero sea capaz de producirlo, pero adicionalmente deberá disponerse del equipo de bombeo capaz de extraerlo.Esto obliga a seleccionar un diámetro de la perforación capaz de albergar el equipo apropiado, con lo cual debemos suponer cierta holgura para satisfacer su instalación sin riesgos de estrechez o atascamiento por deficiencias en la verticalidad del pozo.

Relación entre el rendimiento y el diámetro del pozo.

4" 6" 8" 12" 18" 24" 30" 36" 42" 48"100 105 110 115 123 128 134 138 140 142  100 105 110 117 122 127 131 134 137    100 105 113 118 127 128 131 134      100 106 111 116 119 122 125        100 104 108 112 114 117          100 104 107 110 112            100 103 106 108              100 102 105                100 102

Este cuadro refiere los porcentajes de aumento de los gastos en relación a diferentes diámetros, bajo una determinada condición (R = 122m).

LONGITUD DE CAPTACIÓN DEPENDIENDO DEL TIPO DE ACUÍFERO; EN FUNCION DE QUE SE DEFINE EL AREA LIBRE DE CAPTACIÓN, CUANDO LOS POZOS REQUIEREN REVESTIMIENTO 188 Y COMO SE DISEÑA (TERZHAGUI), EN FUNCION DE QUE SE SELECCIONA EL MATERIAL DE LA REJILLA DE CAPTACIÓN; COMO SE DEFINE EL TAMAÑO DE LA REJILLA DE CAPTACIÓN.

Longitud De Captación Dependiendo Del Tipo De Acuífero :

Tomando en consideración las características diferentes de los acuíferos, un buen diseño de pozo debe considerar tanto en posición como en longitud la rejilla que servirá de captación de agua. Para ello consideramos las siguientes situaciones :

Acuíferos Artesianos:En este caso la disminución del área de acercamiento sucede en el plano horizontal, siempre y cuando el nivel de bombeo no descienda mas del nivel superior de los sedimentos.

a) Acuíferos Artesianos Homogéneos:Una buena práctica de diseño indica que el máximo abatimiento disponible de un acuífero artesiano es la distancia entre el nivel estático y la parte superior del acuífero.La ubicación de la rejilla debe ser simétrica con respecto al espesor del acuífero o dividir la sección de la rejilla en tramos cortos interespaciados con secciones de tubería.

b) Acuíferos Artesianos No - Homogéneos:En este caso es conveniente la colocación de rejilla en el estrato mas permeable, es decir aprovechando en su totalidad el estrato mas productor.

Acuíferos libres:

a) Acuíferos Libres Homogéneos:El mejor diseño consiste en extraer el mayor gasto posible con el menor abatimiento.En el caso de acuíferos libres la longitud de la rejilla dependerá del nivel de bombeo.El mejor diseño es aquel en el cual se logra el máximo rendimiento y un a relación optima entre el gasto y la depresión se obtiene cuando este llega de 2/3 a ½ del espesor del acuífero.

b) Acuíferos Libres No - Homogéneos:Se tratará de aprovechar la parte mas baja del acuífero mas permeable, a fin de lograr el mayor abatimiento; sin embargo esto no siempre es posible, ya que la condición de bombeo provoca un descenso de nivel y, por tanto, determina su ubicación.

Área Libre De Captación :

El área libre podrá ser ajustada por el diámetro de la rejilla y la abertura de la misma.Las aberturas de la rejilla dependerán exclusivamente de la granulometría del acuífero, ya que es una de las funciones dela rejilla el impedir el derrumbamiento del material no consolidado en el pozo, permitiendo también que cierto porcentaje de material fino adyacente al pozo sea removido.

En estas condiciones se definen dos situaciones:

a) Acuíferos que no requieren engrosando.b) Acuíferos que no requieren engrosando.

Pozos que requieren revestimiento:

Los pozos con empacadura de grava difieren de los desarrollados naturalmente, en que la zona inmediata ala rejilla se hace mas permeable al remover todo el material que existía y sustituirlo por el material mas grueso. Esto equivale a un aumento en el diámetro efectivo del pozo.El propósito de la empacadura de grava es el de aumentar la permeabilidad del acuífero en las vencidades del pozo.En formaciones de arena fina, resulta ventajoso utilizar un empacadura de grava que permita desarrollar al máximo el rendimiento de la formación.

BIBLIOGRAFIA

Abastecimiento De Agua – Teoría Y Diseño. Simón Arocha R. Ediciones Vega s.r.l

RAS 2000.