Universidad de Concepción Facultad de Ingeniería Agrícola Departamento de Recursos Hídricos

Captaciones de Aguas Subterráneas Dr. José Luis Arumí Ingeniero. Civil HoDepartamento Ph.D. José Luis Arumí, Diego Rivera y Eduardo de Recursos Departamento de Recursos Hídricos Hídricos Universidadde deConcepción Concepción Universidad Chile

Chile

ASPECTOS GENERALES EN LA CONSTRUCCIÓN DE POZOS PROFUNDOS

• Una captación de aguas subterráneas, conocida técnicamente como sondaje y de nombre común pozo profundo es una estructura hidráulica que, cuando está BIEN DISEÑADA Y CONSTRUIDA, permite la extracción Económica del agua de un acuífero.

Construcción de zanjas

Construcción de norias

Definición de diseño • El diseño de un pozo de agua implica el cálculo de las dimensiones adecuadas de todos los componentes del pozo y la selección de los materiales que han de ser usado en su construcción.

Objetivos del Diseño • El buen diseño busca asegurar la óptima combinación de los siguientes factores: Buen funcionamiento Mejor aprovechamiento del acuífero Capacidad Específica (Q/s) Larga vida de servicio Costo razonable de la instalación Bajos costos de operación Bajos costos de mantenimiento Servicio sin interrupciones

La suma ideal de todos esos factores da como resultado el propósito final del objetivo: Confiabilidad

Método de Percusión • El método de percusión con herramientas de cable lleva a cabo la operación de perforación, levantando y dejando caer con regularidad una pesada sarta de herramientas dentro del agujero que se va abriendo. El trépano fractura o desmorona el subsuelo y lo convierte en pequeños fragmentos que es extraído mecánicamente con otra herramienta conocida como “cuchara”.

Método de Rotación • El método hidráulico de perforación por rotación consiste en radar un agujero mediante la acción rotatoria de un trépano y remover fragmentos que se producen con un fluído que continuamente se hace circular, conforme el trépano penetra en los materiales de formación del subsuelo. El fluído utilizado es una arcilla bentonita comúnmente usada por su bajo costo, que va además estabilizando las paredes de la perforación para que no derrumben.

Cabezales

Construcción de punteras

Construcción de punteras

Método de Rotopercusión • Este método utiliza una combinación de los dos métodos anteriores, con la sola diferencia que el fluido en este caso es aire.

Método Vibratorio

• Este método utiliza un sistema vibratorio que licua el suelo y permite la penetración del las herramientas.

• Dentro de las labores propias de la construcción de pozos se distinguen las siguientes faenas: Análisis

Granulométrico

• PERFORACION

Diseño del Sistema

Captante

• • • •

SISTEMA CAPTANTE Entubación definitiva DESARROLLO PRUEBAS DE BOMBEO ANALISIS FISICO-QUIMICO DEL AGUA

• Relleno filtro de grava

• Cribas ranuradas

Cribas de acero • Construidas con alambre de acero

• Dentro de las labores propias de la construcción de pozos se distinguen las siguientes faenas: Análisis

Granulométrico

• PERFORACION

• • • •

Diseño del Sistema Captante

SISTEMA CAPTANTE Entubación definitiva DESARROLLO PRUEBAS DE BOMBEO ANALISIS FISICO-QUIMICO DEL AGUA

Agradecimiento a

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Mantención • Diagnóstico

– Falla bomba – Falla de las paredes del pozo – Obstrucciones • Mecánicas • Químicas • Biológicas

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Métodos para limpiar pozos • Eliminación de obstrucciones

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Métodos para limpiar pozos • Limpieza mecánica con cepillo

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Métodos para limpiar pozos • Limpieza mecánica con agua a alta presión – Dependiendo del tipo de obstrucción se pueden usar químicos

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Métodos para limpiar pozos • Uso de ondas expansivas • Secuencia de – Explosivos – Agua a presión – Gas a presión VIBE CLEANING

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Hidráulica de pozos • La Leyes de Darcy y balance hídrico son las ecuaciones fundamentales que gobiernan el movimiento de agua en el medio poroso.

• Se han desarrollado soluciones para problemas específicos, que incluyen supuestos sobre la forma del dominio, las condiciones de borde y las condiciones iniciales. • Estas soluciones se consideran ejemplos clásicos de flujo de agua subterránea y en ellas se basan muchos métodos de análisis para captaciones de aguas subterráneas.

Régimen permanente • La condición de régimen permanente implica que no existen cambios con respecto al tiempo. • Esta no es una solución real, pero nos permite entender las tendencias del escurrimiento.

Flujo unidireccional • Supongamos un acuífero confinado en el cual se conoce la altura piezométrica a través de pozos de observación:

• Al plantear la ecuación de flujo de aguas subterráneas, esta queda • Cuya solución es:

• Condiciones de borde: – Altura constante para x = 0 – Darcy

• Se obtiene la siguiente ecuación:

Consideremos ahora un acuífero libre • Considerando que el flujo es unidireccional, la ecuación de Darcy puede ser expresada s

como:

q  K  h 

dh ds

q = caudal por unidad de ancho

• El problema es que la dirección s, no es constante, por lo que la ecuación no puede ser resuelta analíticamente

Hipótesis de Dupuit • Se supone un flujo

horizontal q  K  h 

• La ecuación queda

s

q

K  (h02  h(2x ) ) 2x

La expresión anterior indica que el nivel freático tiene una superficie parabólica:

h( x )

dh dx

q  h  2 x K 2 0

En forma similar se puede considerar el flujo en un sistema no confinado que recibe una recarga • Usando Darcy (Dupuit)

dh q  K  h  dx

• En régimen permanente la recarga iguala al flujo: dh wx   K  h  q  w x dx • Integrando:

2 ( x)

h

w  h   (a 2  x 2 ) K 2 a

Flujo radial a un pozo en un acuífero confinado Ecuación de Thiem:

h( r )  h0 

Q R  Ln( ) 2   K  b r

R: radio de influencia

Definiendo Transmisibilidad

T  K b

h( r )  h0 

Q

R  Ln( ) 2  T r

Flujo radial a un pozo en un acuífero libre h h 2 0

2 (r )

Q R   Ln( )  K r

Usando la suposición de Dupuit T K

h( r )

(h0  hr ) 2

Q

R  h0   Ln( ) 2  T r

• Interferencia entre un pozo y un cauce

• Existencia de una barrera impermeable

• Interferencia entre pozos

¿Cual es el radio de influencia de un pozo?

Es aquella distancia a la cual el efecto de la extracción de agua desde el pozo es despreciable

¿Cual es el radio de influencia de un pozo?

¿Cual es el radio de influencia de un pozo? Una aproximación, usando la fórmula de Sichardt

R  3  (h  ho )  K 10000 )

Radio de influencia [metros]

R : radio de influencia [m] (h-ho) : depresión en el pozo [m] K : Conductividad hidráulica [cm/s) 1200 1000 800 600 400 200 0 0

2

4

6

8

Depresión en el pozo [metros]

10

12

¿Cual es el radio de influencia de un pozo?

¿Cual es el radio de influencia de un pozo?

Pruebas de bombeo. • Hidráulica de pozos en régimen no permamente  Análisis de pruebas de bombeo en pozos profundos  Análisis de pruebas de bombeo en norias

Régimen no permanente

Ecuación de Theis (1935) para un acuífero confinado

Donde s(r,t) es el descenso en un pozo ubicado a una distancia r del punto de bombeo

s(r, t )  h0  h( r ,t )

• Acuífero homogéneo, isotrópico, de infinita extensión y espesor uniforme • Antes del bombeo el nivel freático estaba horizontal • Tasa de bombeo constante • El pozo penetra totalmente el acuífero • Almacenamiento en el pozo despreciable

La ecuación se puede simplificar:

s (t ) 

Q 4  T

 ln(

2.25  T  t S  r2

)

Se puede obtener una solución gráfica

2.25  T ho  h(t )   ln(t )   ln( ) 2 4  T 4  T S r Q

Q

Pruebas en un pozo sin pozos de observación Normalmente no se dispone de un pozo de observación, por lo que es necesario usar los datos medidos en el mismo pozo de observación. Esto dificulta la determinación del coeficiente de almacenamiento.

Prueba de recuperación • El pozo es bombeado por un cierto período de tiempo t0 Se mide la recuperación del nivel de agua en el pozo

Considerando t` el tiempo desde que se cortó el bombeo:

La ecuación anterior se reduce a:

Apunte de Domenico and Schwartz

Prueba del Volumen Instantáneo (Slug Test) Se agrega o quita, en forma instantánea un gran volumen de agua desde el pozo. En términos prácticos se bombea un gran caudal desde el pozo para agotarlo. Esto nos permite eliminar la componente de almacenamiento.

Apunte de Domenico and Schwartz

Determinación de las características hidráulicas de los acuíferos usando el método de Rupp

La metodología propuesta por Rupp (2001) es una modificación de la prueba de Bouwer y Rice (Slug-test) (Bouwer, 1976) para estimar la conductividad hidráulica (KS) en pozos de gran diámetro, como los pozosnoria, a partir de pruebas de recuperación, aplicando las siguientes ecuaciones:

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. Grownd Water 39(2):308-314

 y25 r2R KS  ln  2 L(t75  t 25 )  y75

  

• 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:





1.84  0.21ln Λ L / r  R 1/ 2 1  1.61( D  L) / D  ( L / r ) 5 / 8 2

donde D es el espesor del acuífero (Fig. 3),  es una medida de la capilaridad del suelo en función de la textura (tabla 2). La ecuación 1 es válida para 2  L/r  20.

Si no se conoce el valor de D, se prueba D=L o D >> L, evaluando la sensibilidad del resultado a estas hipótesis

Capilaridad de suelo  según textura del suelo (Rupp, 2001)

 (m) Textura de Suelo 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