PROGRAMA DE FORMACIÓN IBEROAMERICANO EN MATERIA DE AGUAS ÁREA TEMÁTICA 3.1. HIDROGEOLOGÍA

TEMA 6: MANEJO DE LOS RECURSOS HÍDRICOS SUBTERRÁNEOS

Por: MsC. Fermín E. Sarduy Quintanilla Esp. Hidrogeología E-mail: [email protected]

CURSO: Hidrogeología-III 10 al 14 de mayo de 2010 AECID, Montevideo, Uruguay

MANEJO DE LOS RECURSOS HÍDRICOS SUBTERRÁNEOS

PROSPECCIÓN HIDROGEOLÓGICA

EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS

SUMARIO: 6.I Geología aplicada a la hidrogeología. 6.I.1 Introducción a la geología y su relación con la naturaleza de los acuíferos. 6.II. Prospección hidrogeológica.

6.II.1 Programa de investigación. Criterios para la selección del complejo de métodos. 6.III. Evaluación de los recursos de las aguas subterráneas. 6.III.1 Descripción de los métodos más utilizados.

6.III.2 Determinación de los recursos subterráneos a través del método de balance hídrico de un acuífero por la fluctuaciones del nivel de la superficie piezométrica. 6.III.3 Pronóstico de los niveles de las aguas subterráneas a través de las curvas de agotamiento.

6.III. 4 Aplicación práctica del cálculo de los recursos subterráneos. Ejemplos de su aplicación. CURSO: Hidrogeología-III 10 al 14 de mayo de 2010 AECID, Montevideo, Uruguay

Evaluación de los recursos de las aguas subterráneas Definición de conceptos fundamentales Reservas y recursos de las agua subterránea:

Capacidad definida pero por conocer y su volumen depende de: 1.Características geológicas. 2.Contornos de la formación acuífera.

3. Hidrología superficial de la cuenca superyacente 4. Condiciones de alimentación Se conoce su volumen por la geometría del embalse antes de construirse

Es el proceso de explotación de un acuífero, lo que permite tener conciencia de su capacidad

Qué caudal y durante qué tiempo puede extraerse, para determinadas condiciones de abatimiento en un acuífero, de un sistema de pozos que actúan simultáneamente?.

Dos escuelas hidrológicas responden a esta interrogante, la europea lo hace con el concepto RECURSOS EXPLOTABLES y la norteamericana con la PRODUCCIÓN O CAUDAL SEGURO (SAFE YIELD).

Reserva: Cantidad de agua almacenada en un acuífero que drena por la acción de la gravedad, expresada en unidades de volumen y reflejando un carácter estático. Recursos: Volumen de agua disponible para la explotación de un acuífero, expresados en unidades de caudal y como consecuencia refleja un carácter dinámico. Reserva Mínima: Cantidad de agua almacenada en un acuífero limitada por la superficie piezométrica mínima. Tiene cierta correspondencia con el caudal mínimo del escurrimiento subterráneo. Reserva máxima: Cantidad de agua almacenada en un acuífero limitada por la superficie piezométrica máxima. Tiene correspondencia con el caudal máximo del escurrimiento subterráneo. Variación de la reserva: Es la diferencia de volumen entre la reserva máxima y la mínima.

VARIACIONES HIPERANUALES

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Reserva permanente (Vp) Corresponde a la reserva mínima media. Reserva total (Vt-Vp) –Castany- A partir de 1970, la nombra Reserva reguladora. También, este autor usa el término de Recursos regulados para referirse a los recursos naturales, sinónimo normalmente de Recursos disponibles. Recursos disponibles (QD) : Representan el volumen de agua que podría extraerse permanentemente a largo plazo del acuífero sin que experimente una reducción de la reserva permanente, expresado en término de caudal. Estos recursos dependen fundamentalmente de la alimentación neta del acuífero y es costumbre asociarlo al caudal escurrimiento subterráneo bajo condiciones de equilibrio natural (Qs). Recursos explotables (QE): Volumen de agua que se puede captar de un acuífero a largo plazo sin originar alteraciones indeseables en el régimen de las aguas subterráneas tendiendo en cuenta condiciones técnicas y económicas, expresado en término de caudal. La concepción de las obras de captación influye notablemente en estos recursos así como el propio efecto de la explotación. CURSO: Hidrogeología-III 10 al 14 de mayo de 2010 AECID, Montevideo, Uruguay

CAUDAL SEGURO (SAFE YIELD)

El concepto safe yield fue introducido en 1915 por Lee como límite de la cantidad de agua que puede extraerse regularmente y de forma permanente sin una disminución riesgosa de las reservas del acuífero. Fue abierta por Meinzer en 1923 para contemplar los aspectos económicos y redefinida por Conkling en 1946 como la extracción anual de agua que no: Exceda la recarga media anual, Sea menor que un nivel del agua subterránea tal que el costo permisible por bombeo se incremente, Sea mayor que un nivel del agua subterránea que permita intrusión de agua de calidad no recomendada, Sea menor que el nivel del agua subterránea que vaya en detrimento de los derechos de agua existentes. CAMBIOS EN LA ADMINISTRACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS

Antes Profundidad de los pozos y su capacidad

Hoy día 1. Conservación del agua (Extracción, regulación y el movimiento en las áreas de recarga) 2. Movimiento en áreas no tributarias 3. Creación de barreras para evitar intrusión salina

MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE LOS RECURSOS SUBTERRÁNEOS

Meinzer (1931) realiza la siguiente clasificación: 1. 2. 3. 4.

Métodos basados en la alimentación del acuífero. Métodos basados en la descarga subterránea. Métodos basados en el cambio de almacenamiento, Métodos de balance o inventario.

Aquí se presenta el siguiente ordenamiento de los métodos para su estudio: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Balance hídrico de un acuífero. Fluctuaciones del nivel de la superficie piezométrica. Rendimiento de obras de captación. Caudal de escurrimiento subterráneo. Método Hidrodinámico. Método Hidráulico. Métodos Hidrológicos. Métodos diversos o especiales. Modelos Matemáticos de Simulación. CURSO: Hidrogeología-III 10 al 14 de mayo de 2010 AECID, Montevideo, Uruguay

1. Balance hídrico de un acuífero

Expresión del principio de la conservación de la materia en el acuífero: Vi Inf. eficaz Rec. natural Flujo subt. Rec. Artificial - Evaporació n Desc. natural Flujo subt. Explotació n

-

+ ENTRADAS

VF

SALIDAS

En la escuela europea, rusa, Bindeman, Lazvin, Borevskii y otros, emplean una variante de este método para estimar los recursos explotables (ellos llaman RESERVAS DE EXPLOTACIÓN). Sobre la base de las fuentes que forman dichos recursos. La expresión más general es: QE

QN

1

2

VN t

3

QART

4

VART t

5 Q AT

Donde: , coeficientes de utilización de recursos y reservas QN, recursos naturales, VN, reservas naturales QART, recursos artificiales, VART, reservas artificiales QAT recursos atraídos t, tiempo de diseño de las obras de explotación

Los autores anteriores identifican los recursos naturales con la infiltración eficaz o con el caudal de flujo subterráneo en condiciones naturales y en menor medida con la variación de las reservas. CURSO: Hidrogeología-III 10 al 14 de mayo de 2010 AECID, Montevideo, Uruguay

2. Método de las fluctuaciones del nivel de la superficie piezométrica Este método puede aplicarse en condiciones naturales o de explotación pero sólo en acuíferos libres ya que implica variación de las reservas y recursos. Castany considera que los RECURSOS DISPONIBLES pueden calcularse en condiciones naturales sobre la base de las fluctuaciones del nivel de las aguas y los considera iguales a la variación anual media de las reservas, V A P H . i

i

E

Bindeman, 1970, reseña dos métodos propuestos por Kamenski. El primer método utiliza fórmulas de régimen permanente para los cálculos de la alimentación por precipitaciones y el segundo, de régimen impermanente, en el que la exactitud recae en el valor de la porosidad efectiva, PE, y no en el valor de la conductividad hidráulica, Kp, como en el primer caso. El fundamento del segundo método lo constituye la aplicación de la ecuación de continuidad, expresada en términos de volumen, y basada en el conocimiento de los niveles de tres pozos situados en una misma línea de corriente en un acuífero libre bajo flujo lineal. En definitiva, Bindeman propone usar la siguiente expresión simplificada para estimar la percolación neta o infiltración eficaz: PN PE H / t. Y para tener en cuenta, de forma aproximada, las descargas supone que este flujo subterráneo sigue la misma tendencia reflejada de la curva de nivel durante el período anterior al incremento del nivel, en un tiempo igual al considerado para el aumento de , o sea,P P H Z . Nivel (m)

zs

N

E

t

h H

zh Nivel (t)

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3. El rendimiento de las obras de captación

El rendimiento a largo plazo de las distintas obras de captación

EFECTO EN LOS NIVELES

Q1 + Q2 + Qn

RECURSOS EXPLOTABLES

Plotnikov ABATIMIENTO ADMISIBLE

DETERMINA LOS RECURSOS EXPLOTABLES

Depende de:  Condiciones geológicas. Las obras de captación Tipo de acuífero.

Resulta necesario determinar también el efecto de la interferencia de los pozos. Entonces Hantush (1964) hace referencia a que es frecuente el problema del espaciamiento entre pozos para no exceder el abatimiento permisible. CURSO: Hidrogeología-III 10 al 14 de mayo de 2010 AECID, Montevideo, Uruguay

a) Método de los conos (o embudos) de depresiones regionales Método citado por Plotnikov y aplicado por Víctor Kalashnik en el acuífero cársico de la cuenca sur de Pinar del Río, Cuba, en 1981.

S

ρS,Q < 0.9 Los cálculos no son buenos y resultados no funcionales

Q b) Método grafo-analítico Lim nigram a hipe ranual Bloque Dolore s 9,50

9,00

Nivel (m)

8,50

8,00

7,50

7,00

6,50

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2005

2006

2007

2008

2009

2003

2004

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

1989

1988

1987

1986

1985

6,00

Años

Lluv ia anual 2400,0 2300,0 2200,0 2100,0 2000,0 1900,0 1800,0 1700,0 1600,0 1500,0 1400,0 1300,0 1200,0 1100,0 1000,0 900,0

Resumen: Se analizan estos gráficos con mucho detenimiento en un período extenso de años y a partir de ellos se obtienen las siguientes curvas: 1. Curva de probabilidad de explotación, caracteriza cualitativamente el grado de la probabilidad de los recursos al final del período seco de cada año. 2. Curva pronóstico de niveles bajo una explotación fijada, la que permite observar si alguna cota del nivel del agua subterránea está por debajo de la admisible.

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

1989

1988

1987

1986

1985

800,0

Extarcción Bloque Dolores 9,50

9,00

8,00

7,50

7,00

6,50

Años

2009

2008

2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

1989

1988

1987

1986

6,00

1985

Q(hm3)

8,50

Determinación de los recursos disponibles: Se estima el volumen admisible de la explotación correspondiente al final del período seco de aquellos años que se han caracterizado por las precipitaciones atmosféricas mínimas.

4. Caudal del escurrimiento subterráneo.

El caudal del escurrimiento subterráneo Qs, se considera como un índice y a veces hasta la representación de los recursos disponibles por algunos especialistas, Plotnikov, Bindeman, Castany, por ejemplo. Normalmente el método se emplea como comprobación de la evaluación de recursos.

caudal que atraviesa una sección transversal

Q1

Q2

Q3

Qi

recursos disponibles

Módulo del Escurrimiento Subterráneo

Mesc = Qs / Aac Expresado en l/s por Km2

m

Qs

K Hm I B

Qs

Qi i 1

K: Coeficiente de filtración de la sección de cálculo en m/día; Hm: potencia media del horizonte acuífero en la sección decáculo, m; I: gradiente hidráulico del nivel de las aguas subterráneas en la sección del flujo; B: longitud de la sección, m.

CURSO: Hidrogeología-III 10 al 14 de mayo de 2010 AECID, Montevideo, Uruguay

5. Método Hidrodinámico El método se basa en la utilización directa de las ecuaciones que se obtienen para calcular el abatimiento en distintas situaciones, o sea, a partir de las ecuaciones resultantes del modelo analítico del flujo de agua subterránea hacia las diferentes estructuras de captación con las condiciones de contorno que le correspondan. El paso de las condiciones hidrogeológicas naturales a un modelo matemático (esquema de cálculo) puede ser ejecutado en dos etapas: 1.Esquematización: Confección del esquema de filtración. 2. Tipificación: Selección del esquema de cálculo. Límites abiertos

Límites impermeables Límites abiertos Límites impermeables Límites mixtos

Estratos semilimitados Estratos cuadrantes Límites abiertos

Límites impermeables

Límites abiertos

Límites impermeables

Estratos circular Estratos en banda

Límites mixtos

A continuación se expone, a manera de ejemplo, el método del gran pozo, citado por Bindeman, con ciertas modificaciones para superar determinadas interpretaciones en su aplicación: L

Batería lineal

R

O

Sistema de pozos circulares

R

O

0.2 L P Sistema de pozos en área

Ro

0.565 F

R

O

0.2 P

CASOS SENCILLOS 1. Caso de flujo lineal en acuíferos limitados por un contorno circular de carga constante: Q Ro ln Acuífero confinado, sPG , Dupuit

2 TD

PG

2. Caso de flujo lineal en acuíferos limitados por un contorno circular impermeable: Q Ro 2Tp t 3 S ln pG acuífero confinado, , (Muskat, 1937) 2 2 TP ER 4 PG o Recursos Disponibles. Se puede conocer de antemano el abatimiento admisible en una zona acuífera, entonces se procede a despejar Q en las ecuaciones anteriores para determinar los recursos.

6. Método Hidráulico

Se fundamenta en predecir el abatimiento para un caudal de explotación determinado a partir de los resultados de abatimientos obtenidos con otro caudal o caudales bajo condiciones de casi equilibrio. O sea, se dispone de la llamada curva característica del pozo: Sp/Q vs. Q, en papel aritmético.

S Q

a Q

A diferencia del método hidrodinámico, donde se utilizan parámetros hidrogeológicos determinados por la esquematización de las condiciones límites, en el método hidráulico la dependencia de los cálculos y sus principales parámetros se determinan de forma experimental.

En acuíferos confinados, según Dupuy, el abatimiento aumenta de forma proporcional al gasto, donde: Q Donde:

S

e

eS Q

Se: abatimiento de explotación; Qe: gasto de explotación; S: abatimiento de aforos; Q: gasto de aforo

Considerando la pérdida de carga en la columna del pozo, Dupuy propone que:

S a Q b Q2

Donde: a y b: parámetros empíricos determinados por aforos experimentales. S S 2 1 S1, S2 y Q1, Q2: abatimiento y gasto del S Q Q 2 bQ aforo del primero y segundo abatimiento, a 2 1 b 2 Q con S y Q estabilizados. Q Q 2 2 1

9. Métodos Hidrológicos

A) Interpretación de la curva de agotamiento (o recesión) de las corrientes y manantiales:

y

b 0,434

.X

Curva de recesión y agotamiento

Caudal base Curva de concentración

Curva de descenso

t (días)

t (días)

Si se dispone de observaciones, de Qt y t, a partir de un gráfico semi-logarítmico, se puede determinar como sigue: lg Qt log Qo t log e Entonces: y b 0,434 .X Donde: 0,434 sería la pendiente de ese gráfico. El volumen de agua almacenada en el acuífero que alimenta el caudal de agotamiento, V, se expresa como el área bajo la curva de recesión: V Qo e t dt Qo / o se expresa en segundos. También, V 0,0864 Qo / , done se expresa en días y V en hm3.

El valor de V servirá como índice para el cálculo de QD, recursos disponibles

B) Modelos hidrológicos para estimar el almacenamiento del acuífero (porosidad efectiva, E). El método propuesto en: Groundwater International Training Course on Hydrology, China, indica que se requiere información de lluvia horaria (Pi), profundidad diaria del nivel del agua subterránea y del evento de lluvia anterior (Pi-1). Además, la capacidad de campo, Wm, y la capacidad de infiltración de los suelos, Vp, deben estar pre determinados. En n eventos de aguaceros ocurren las precipitaciones P1, P2, --- Pi, --- Pn; corresponden los incrementos del nivel del agua H1, H2, --- Hi, --- Hn y las recargas Re1, Re2, ---Rei---, Ren. Se asume que el cambio del nivel del agua subterránea causado por otros factores, como por ejemplo, evapotranspiración y flujo subterráneo, pueden despreciarse debido a la relativa corta duración del aguacero, luego E = Rei / Hi, donde Hi es la amplitud del nivel del agua obtenido por observaciones directas. Se presentan dos variantes de este método: 1. Método de estimación de la recarga de infiltración, Rei. El balance hídrico en la capa de suelo de cobertura al acuífero indica:

Vi P ETR EH

Vf

2. Optimización de Wm, Vp y E. Se presenta un método de optimización para determinar la capacidad de campo, la capacidad de infiltración y la porosidad efectiva por aproximaciones sucesivas.

8. Métodos diversos o especiales a) Métodos geofísicos de pozo

Los parámetros medidos con los métodos de pozo permiten la determinación de parámetros hidrogeológicos como son: porosidad, la permeabilidad, la velocidad y dirección de flujos de las aguas subterráneas.

PRINCIPALES MÉTODOS DE POZO Y LA INFORMACIÓN QUE LOS MISMOS BRINDAN.

Continuación…

b) Utilización de analogías. Comparar el acuífero no evaluado con aquel cuyo comportamiento se conoce c) A base de estimados de la precipitación infiltrada. Es muy importante conocer no sólo la cantidad de precipitación anual sino también su distribución. Se usa como punto de partida para precisar sus valores posteriormente con otros métodos. La esencia es encontrar una relación adecuada entre la lámina de precipitación y la recarga natural por infiltración. d) Estudio de las características hidráulicas de un sistema acuífero A través de trazadores químicos introducidos en varios sumideros, dolinas profundas, se verifica que el mayor o principal conducto que alimentan los manantiales principales, de un acuífero, están desarrollados a lo largo de una diaclasa, con una determinada dirección preferencial… No hay ningún conducto profundo que descargue hacia el acuífero, no obstante, el escurrimiento superficial y el drenaje de algunas dolinas poco profundas tienen drenaje hacia ese lugar.

8. Modelos Matemáticos de Simulación

Impermea ble

Zona no saturada Acuífe ro Impermea ble

Colectivo de Autores: Armando O. Hernández Valdés José B. Martínez Rodríguez Félix Dilla Salvador Haydée Llanusa Ruiz Armando O. Hernández Valdés ( Editor ) I.S.P.J.A.E. Facultad de Ingeniería Civil Centro de Investigaciones Hidráulicas

2001

Un modelo matemático de un acuífero es una ecuación o serie de ecuaciones que simulan y pronostican respuestas físico-químicas de dicho sistema, sometido a perturbaciones tales como recarga o extracción mediante pozos o la inyección de un agente contaminante. En la actualidad, en hidrogeología los modelos matemáticos son ampliamente utilizados, siendo una herramienta muy útil para lograr establecer el pronóstico del comportamiento del sistema acuífero tanto en el establecimiento de estrategias de explotación como para evaluar su comportamiento por la influencia de obras de ingeniería con las cuales tengan interacción. La aplicación de la tecnología de la modelación matemática de acuíferos contribuye a mejorar el conocimiento de las disponibilidades de estos recursos y a desarrollar políticas racionales de administración que garanticen su desarrollo sustentable.

AQÜIMPE Modelo Matemático bidimensional impermanente del flujo lineal del agua subterránea en acuíferos

RESUMEN MÉTODO Balance acuífero

APLICACIÓN Y LIMITACIONES FUNDAMENTALES

hídrico

de

un

Fluctuaciones del nivel de la superficie piezométrica

Se recomienda usar en formaciones cársicas P E L, donde P es la suma de todos los tipos de entrada de agua al acuífero (debido a la lluvia y al agua superficial); L son las pérdidas no medibles y no utilizables (como la ETR, descarga de manantiales pequeños, escurrimiento, etc) y E los recursos explotables. Se recomienda usar el balance hídrico como complemento de los otros métodos a manera de comprobación. 

  

Seleccionar adecuadamente el sector donde aplicar el método para adaptarse a la forma elíptica de la curva de depresión (sector cercano a las divisorias del acuífero). En el sector seleccionado no aparecen directamente gastos de extracción. La porosidad efectiva está referida a la zona de variación de los niveles, . Los recursos varían de año en año y es necesario hacer un análisis estadístico de una serie larga para definir el valor medio.

de



Según algunos autores es el único modo posible de evaluación de los recursos de agua subterránea en zonas carsificadas con la selección sucesiva de los gastos de explotación.

Caudal de escurrimiento subterráneo



Su uso es efectivo en zonas con un grado de conocimiento elevado de las condiciones hidrogeológícas.

Método Hidrodinámico



Permite evaluar los recursos explotables del acuífero sin un nivel de conocimiento detallado de sus propiedades en toda su extención.

Método Hidráulico



Constituye el método mas racional de evaluación de los recursos de explotación en condiciones hidrogeológicas complejas.

Rendimiento captación

de

obras

RESUMEN… continuación

MÉTODO

APLICACIÓN Y LIMITACIONES FUNDAMENTALES

Métodos Hidrológicos

 Efectivo en acuíferos pequeños y en investigaciones detalladas especiales.

Métodos especiales

diversos

o

Modelos Matemáticos de Simulación

 Se necesita contar con la tecnología apropiada, pero ofrece resultados confiables en lugares donde no es posible la utilización de otros métodos.  Los acuíferos constituyen uno de los sistemas más complejos sobre los que el hombre tiene que actuar sistemáticamente con el objetivo de obtener el principal recurso natural para la vida, que es el agua. La complejidad de este sistema ha obligado a desarrollar técnicas que permitan su operación global, constituyendo la modelación en la actualidad, la técnica capaz de lograrlo de una forma eficiente