UNIDAD DE APOYO TÉCNICO PARA EL SANEAMIENTO BÁSICO DEL ÁREA RURAL

ESPECIFICACIÓN TÉCNICA DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA PARA PEQUEÑAS LOCALIDADES

Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana – Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud Auspiciado por:

CONTENIDO Página 1. 2. 3. 4. 5.

6.

Objeto ..............................................................................................................4 Definiciones ...................................................................................................... 4 Consideraciones previas ..................................................................................5 Especificaciones complementarias ..................................................................5 Prueba de conductividad hidráulica .................................................................5 5.1 Acuíferos con pozo de observación .......................................................5 5.2 Acuífero libre con recarga superficial ....................................................6 5.3 Pozo y descenso de la columna de agua .................................................8 5.4 Tubo piezométrico y recuperación de la columna de agua ..................10 Bibliografía ....................................................................................................11

Lista de figuras Figura 1. Conductividad hidráulica en acuífero libre con pozos de observación ..................................................................................6 Figura 2. Conductividad hidráulica en acuífero libre con recarga superficial ...........8 Figura 3. Conductividad hidráulica mediante pozo y descenso de la columna de agua ......................................................................................... 9 Figura 4. Conductividad hidráulica mediante tubo piezométrico y recuperación de la columna de agua ...............................................................................11 Anexo Anexo 1 Ábaco para determinar el factor geométrico “A” ....................................... 12

OPS/CEPIS/03.77 UNATSABAR

Prefacio El abastecimiento de agua segura en localidades pequeñas y medianas de los ámbitos urbano y rural, es una de las prioridades programáticas de la cooperación técnica que brinda la Organización Panamericana de la Salud/Organización Mundial de la Salud (OPS/OMS) a través del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). En este marco, y con el auspicio de la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación (COSUDE), la Unidad de Apoyo Técnico al Saneamiento Básico Rural (UNATSABAR) viene realizando diversas acciones de apoyo al sector agua y saneamiento en el Perú, entre las que se destaca la preparación del documento titulado “Conductividad en galerías filtrantes para pequeñas localidades” como complemento a la Guía de Diseño para Galerías filtrantes. Con la publicación de este documento, la UNATSABAR pretende contribuir a la actualización, modernización y ampliación de la base normativa del Perú para la atención eficiente de las áreas más deprimidas del Perú. Asimismo, aspira a que tanto los funcionarios de los organismos públicos como los profesionales de la actividad privada, tengan un instrumento guía en su propósito de asegurar diseños adecuados de los sistemas de abastecimiento de agua.

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Especificación técnica para la determinación de la conductividad hidráulica para pequeñas localidades 1.

Objetivo

Normalizar el proceso de realización de la conductividad hidráulica para el diseño de galerías filtrantes para pequeñas localidades. 2.

Definiciones -

Conductividad hidráulica: Es la facilidad con la que un material permite el paso del agua a través de él, y está representado por el volumen de agua que escurre a través de un área unitaria de un acuífero bajo una gradiente unitaria y por unidad de tiempo. También se le conoce como coeficiente de permeabilidad.

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Pozo para la extracción del agua: Hoyo realizado en el suelo que penetra el estrato permeable del acuífero hasta uno o dos metros por debajo del nivel previsto para la instalación del dren de la galería filtrante. Tratándose de pozos de extracción de agua, el pozo debe ser desarrollado.

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Pozo de observación: Pozo perforado para medir deflexión del acuífero durante el bombeo continuo en el pozo de extracción.

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Pozo espejo: Pozo virtual ubicado a la distancia en que la deflexión del acuífero es positivo y del mismo valor que el pozo de extracción.

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Desarrollo de pozo: Proceso por el cual se extrae agua del pozo con fin de eliminar el exceso de turbiedad y material sedimentable.

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Pozo de observación: Hoyo ejecutado en el suelo que penetra el estrato permeable del acuífero hasta uno o dos metros por debajo del nivel dinámico de agua y sirve par medir la depleción de la napa de agua.

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Depleción: Descenso del nivel estático del agua como consecuencia de la extracción del mismo, por acción de algún tipo de dispositivo manual o mecánico.

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Nivel estático: Nivel del agua dentro el acuífero cuando no está sujeto a ningún tipo de extracción por acción de algún tipo de dispositivo manual o mecánico.

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Forro: Tubo que se instala al interior del pozo de extracción de agua o pozo de observación con el fin de prevenir el colapso o derrumbe del mismo. De acuerdo al tipo de prueba pueden ser ranurados, perforados o lisos.

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3.

Consideraciones previas

La prueba de permeabilidad se debe ejecutar en el lugar y a la profundidad donde se tiene previsto la construcción de la galería filtrante y en terrenos poco inclinados, de modo que puedan considerarse las líneas casi horizontales. 4.

Especificaciones complementarias Se complementa con la especificación sobre diseño de galería filtrante.

5.

Prueba de conductividad hidráulica

5.1

Acuífero libre con pozos de observación

Esta prueba se aplica a acuíferos libres que no tienen influencia de fuente alguna de recarga superficial en sus proximidades y determina la conductividad hidráulica promedio de una zona que comprende al pozo de extracción y los pozos de observación. a) Perforar un pozo para la extracción del agua y por lo menos dos pozos de observación de los niveles de agua. El pozo de extracción debe prolongarse uno o dos metros por debajo del nivel donde está previsto la instalación de los drenes de la galería de filtración y debe permitir alojar el dispositivo de extracción del agua. Los pozos de observación deben perforarse hasta una profundidad tal que permita determinar los niveles de agua pero en ningún caso los diámetros de los pozos serán menores a 50 mm. b) El pozo de extracción o de bombeo debe entubarse en toda su profundidad menos los últimos 10 centímetros, el cual será rellenado con grava gruesa y limpia (algún diámetro en especial). El tubo deberá sobresalir por encima del nivel del terreno no menos de 0,30 m. Luego de la instalación del forro en el pozo se instalará el dispositivo de extracción del agua y se procederá a retirar el agua hasta que esté libre de turbiedad y/o sedimentos. c) Los pozos de observación, al igual que el pozo de bombeo deberán entubarse, pero no será necesario realizar la limpieza del mismo, a excepción de que presente material extraño que pueda afectar la medición de los niveles de agua y los tubos deberán sobresalir por encima del terreno no menos de 0,30 m. d) La distancia del pozo de observación al pozo de extracción deberá ser no menor a dos veces la longitud de penetración del pozo en el acuífero e) La parte superior de los tubos de los pozos de observación deberán nivelarse con respecto a un punto de control a fin de determinar lo más exactamente posible las cotas altimétricas del nivel de agua en cada uno de los pozos de observación.

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f)

Concluida la instalación del dispositivo de extracción del agua, limpieza del pozo y nivelaciones, se procederá a la extracción del agua a una tasa de bombeo constante hasta alcanzar las condiciones de equilibrio en los dos pozos de observación, es decir, hasta no registrar variaciones significativas en los niveles de agua de los pozos de observación.

g) El dispositivo de extracción del agua debe tener capacidad como para permitir el descenso del nivel de agua en el pozo de por lo menos 0,15 m. h) Ejecutar la prueba para dos diferentes tasas de extracción de agua. i)

La conductividad hidráulica se determinara mediante la ecuación: kf = Q * ln(R/r)/[π * (Ha2 – Hb2)] Siendo: kf Q R r Ha Hb

= = = = = =

Conductividad hidráulica (m/s) Caudal de extracción (m3/s) Distancia al pozo de observación más lejano (m) Distancia al pozo de observación más cercano (m) Carga de agua en el punto de observación más lejano (m) Carga de agua en el punto de observación más cercano (m)

Figura 1. Conductividad hidráulica en acuífero libre con pozos de observación

5.2

Acuífero libre con recarga superficial

Esta prueba se aplica a acuíferos que están próximos o tienen influencia de fuentes superficiales de recarga. La prueba ayuda a determinar el valor promedio de la conductividad hidráulica de la zona alrededor del pozo de extracción de agua y del pozo de observación. -6-

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a) Perforar un pozo para la extracción del agua y un pozo para la observación del nivel de agua. El pozo de extracción debe prolongarse uno o dos metros por debajo del nivel donde está previsto la instalación de los drenes de la galería de filtración y debe permitir alojar el dispositivo de extracción del agua. El pozo de observación debe perforarse hasta una profundidad tal que permita determinar los niveles de agua pero en ningún caso los diámetros de ambos pozos serán menor a 50 mm. b) El pozo de extracción o de bombeo puede entubarse en toda su profundidad menos los últimos 10 centímetros, el cual podrá ser rellenado con grava gruesa y limpia. El tubo deberá sobresalir por encima del terreno no menos de 0,30 m Luego de la instalación del forro en el pozo, se instalará la bomba y se procederá a extraerse agua hasta que esté libre de turbiedad y/o sedimentos. c) El pozo de observación, al igual que el pozo de bombeo deberán entubarse, pero no será necesario realizar la limpieza del mismo, a excepción de que se presente material extraño que pueda afectar la medición de los niveles de agua y los tubos deberán sobresalir por encima del terreno no menos de 0,30 m. d) La distancia del pozo de observación al pozo de extracción deberá ser no menor a dos veces la longitud de penetración del pozo en el acuífero e) La parte superior de los tubos de los pozos de observación deberán nivelarse con respecto a un punto de control a fin de determinar lo más exactamente posible la cota altimétrica del nivel de agua del pozo de observación. f)

Concluida la instalación, limpieza del pozo y nivelación se procederá a la extracción del agua a una tasa de bombeo constante hasta alcanzar las condiciones de equilibrio en el pozo de observación, es decir hasta no registrar variaciones significativas en el nivel de agua del pozo de observación.

g) El dispositivo de extracción del agua debe tener capacidad como para permitir el descenso del nivel de agua en el pozo de por lo menos 0,15 m. h) Ejecutar la prueba para dos diferentes tasas de extracción de agua i)

La conductividad hidráulica se determinara mediante la ecuación: kf = Q * Ln (r’ / r)/( 2 * π * H * (H – Ha) Siendo kf Q r’ r H Ha

= = = = = =

Conductividad hidráulica m/s Caudal (m3/s) Distancia del pozo de bombeo espejo al pozo de observación (m). Distancia del pozo de bombeo al pozo de observación (m) Espesor medio del acuífero (m) Carga de agua en punto de observación (m)

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Figura 2. Conductividad hidráulica en acuífero libre con recarga superficial

5.3

Pozo y descenso de la columna de agua

Esta prueba se aplica en la zona de aeración próxima a la zona de saturación de cualquier tipo de acuífero y determina el valor de la conductividad hidráulica del material correspondiente a la zona de aeración en el lugar que circunda al pozo de prueba. Se aplica en zonas donde se tiene la certeza que el material es homogéneo. a) Perforar un pozo hasta un metro por debajo del nivel estático de agua. El diámetro del pozo será mayor a 50 mm y la parte alta debe facilitar la adición de agua y la determinación de los niveles de agua al interior del pozo. b) El pozo debe entubarse solamente en su parte superior dejando sin entubar el tramo donde se determinará la conductividad hidráulica. En caso de terreno deleznable, podrá rellenarse el pozo con grava gruesa y limpia. El tubo deberá sobresalir por encima del terreno no menos de 0,30 m. c) Añadir agua por encima del nivel del acuífero hasta lograr la saturación del terreno situado por encima del nivel estático del acuífero. d) Luego de saturar el terreno, agregar suficiente cantidad de agua de modo que el nivel de la columna de agua se encuentre a no menos de 0,15 m por encima del nivel estático original del acuífero. e) Determinar el valor del descenso en el nivel de agua y el tiempo demandado por este descenso. El intervalo de tiempo entre mediciones no debe ser mayor a un minuto y el descenso no mas de cinco (5) centímetros. -8-

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f)

Ejecutar la prueba por duplicado.

g) La conductividad hidráulica se determinara mediante cualquiera de las siguientes ecuaciones: kf = r * Ln [(ho + r/2) / (h1 + r/2)] / (2 * ∆ t) kf = 2 * r * ∆ h / (2 * ho * ∆ t) Siendo kf = r = ∆h = ho = h1 = ∆t =

Conductividad hidráulica (m/s) Radio del pozo (m) Abatimiento de la columna de agua durante el tiempo de observación (m) Altura, la columna de agua sobre el nivel estático desde donde se inicia la prueba de infiltración (m) Altura, la columna de agua sobre el nivel estático desde donde termina la prueba de infiltración (m) Tiempo de descenso de la columna de agua (segundos) de ho a h1

Figura 3. Conductividad hidráulica mediante pozo y descenso de la columna de agua

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5.4

Tubo piezométrico y recuperación de la columna de agua

Esta prueba se aplica en la zona de saturación de cualquier tipo de acuífero y determina el valor de la conductividad hidráulica del lugar que circunda a la parte baja del pozo de prueba. a) Perforar un pozo de no menos de 50 mm para la extracción del agua. El pozo deberá prolongarse uno o dos metros por debajo del nivel donde está previsto la instalación de los drenes de la galería de filtración y debe permitir alojar el dispositivo de extracción del agua. b) Entubar el pozo en toda su profundidad y a continuación levantar el forro de modo de dejar una cavidad comprendida entre 5 a 10 cm, el cual podrá ser rellenado con grava gruesa y limpia para evitar su derrumbamiento. El tubo deberá sobresalir por encima del terreno no menos de 0,30 m. Luego de la instalación del forro en el pozo se instalará la bomba y se procederá a extraerse agua hasta que esté libre de turbiedad y/o sedimentos c) El dispositivo de extracción del agua debe tener capacidad como para permitir el descenso del nivel de agua en el pozo de por lo menos 0,30 m. d) Determinar el valor de ascenso en el nivel de agua y el tiempo demandado por esta variación de niveles inmediatamente después de concluida la extracción del agua. e) Ejecutar la prueba para dos diferentes niveles de agua. f)

La conductividad hidráulica se determinara mediante la ecuación de Kirkham kf Siendo kf r h1 h2 t 2 - t1 A

=

= = = = =

π * r2 * Ln ( h1 / h2 ) / [ A * (t2 – t1)] conductividad hidráulica (cm/s) radio del pozo (cm) Nivel de la napa de agua en el tiempo t1 (cm) Nivel de la napa de agua en el tiempo t2 (cm) Intervalo de tiempo para que la columna de agua se eleve de h2 a h1 (segundos) Factor geométrico

=

El factor geométrico “A” se determina con ayuda de la figura mostrada en el anexo I. Una aproximación para radios del pozo (r) entre 12,5 y 50 mm y profundidad de cavidad (H) entre 2,5 y 10cm se puede obtener por medio de la ecuación: A

=

π * (2 * √2 * r + H/ √2 – 1)

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Una segunda fórmula válida para radios del pozo (r) entre 10 y 60 mm y profundidad de cavidad (H) entre 5 y 100cm se puede obtener por medio de la ecuación: 2

A = - (0,0005 * r + 0,003) * H + (0,15 * r + 1,6 ) * H + 6,5 * r + 5,4

Figura 4. Conductividad hidráulica mediante tubo piezométrico y recuperación de la columna de agua

6.

Bibliografía -

El agua subterránea y los pozos.- 1975 – Johnson Division UOP Inc. Hydrology.- Oscar E. Meinzer. Dover Publications, Inc. Driscoll, F.G. Groundwater and wells. Second Edition 1986. U.S. Department of the Interior. Ground Water Manual. Water Resources Bulletin.- American Water Resources Association .- Kenneth B. Edwards . Estimating Aquifer Parameters from a horizontal well pumping test in an unconfined aquifer. Manual de Consultas para agua potable y saneamiento básico.- Proyecto ALA 86/20. Feitoo Olivera, Rafael.- Cuaderno sobre galerías filtrantes. Organización Panamericana de la Salud/Organización Mundial de la Salud. Julio 1997. Paz Moroto, José; Paz Casañe, José.- Abastecimientos de agua. Tomo I – 1962. Proyecto de captaçao drenante de cidade de Pedra Azul, MG – COPASA-MG-junio /79. Martínez Beltrán, Julián.- Drenaje Agrícola. Volumen I - 1986

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ANEXO 1 ÁBACO PARA DETERMINAR EL FACTOR GEOMÉTRICO “A”

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Anexo 1 Ábaco para determinar el factor geométrico “a”

110

1,0

100

1,5

RADIO (cm)

2,0

2,5

4,0

3,0

6,0

5,0

90

PROFUNDIDAD DE LA CAVIDAD

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

FACTOR GEOMETRICO "A"

- 13 -

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240