Perforaciones para Explotación de Agua Subterránea
¿Cómo se selecciona una zona donde se realizará una perforación?
La base fundamental de toda prospección de aguas subterráneas es el estudio geológico detallado. Éste se apoya sobre una cartografía geológica regional precisa. Las zonas que resulten interesantes, son objeto de relevantamientos detallados. Para su ejecución, es necesario disponer de una base geológico-topográfica precisa. A ella se referirán todas las fases del estudio, fundamentalmente el informe e interpretación geofísica, estudio de los niveles piezométricos, etc. El empleo de la fotografía satelital o aéreas es muy importante, al igual que la determinación de escurrimientos superficiales, aún cuando no se cuenta con otra cartografía.
Al igual que en todo reconocimiento geológicos, los trabajos tratan de determinar la presencia y las características de la roca almacén.
La Hidrogeología desempeña un papel fundamental en todas las fases de ejecución de un programa de valorización de los recursos hídricos. En efecto, la litología de los terrenos y las estructuras geológicas forman parte de los importantes factores que condicionan:
-la escorrentía superficial.
-la alimentación natural (infiltración eficaz) y el vaciado de los mantos.
-la constitución y renovación de las reservas de las aguas subterráneas.
-las posibilidades de implantación y ejecución de obras hidráulicas.
Así pues, el hidrogeólogo debe ser ante todo un geólogo experto que añade cualidades esenciales de observación con amplios conocimientos de estratigrafía, sedimentología, geomorfología, petrología y geología estructural.
El agua subterránea proporcionada por lluvia o por nieve o por infiltración a partir de ríos y lagos se llama meteórica. El agua dulce o salada aprisionada en los sedimentos durante el depósito de los mismos se distingue con el nombre de congénita. Solo la primera es la que nos interesa.
Debajo de cierto nivel, que nunca es muy profundo, en las regiones húmedas, todas las rocas agrietadas o porosas están completamente saturadas de agua. La superficie superior de esta agua subterránea se llama capa piezométrica. Esta capa en líneas generales va siguiendo el relieve del terreno, pero con una superficie más suavizada y se presenta arqueada debajo de las colinas. En general en el subsuelo, se pueden reconocer tres zonas sucesivas.
a)-Zona no saturada, que nunca está completamente empapada, a través de la cual, ésta se infiltra para pasar a las zonas subyacentes. Cierta cantidad de agua es retenida por el suelo, que la cede a las raíces de las plantas.
b)-Zona de saturación intermitente, que se extiende desde el nivel más elevado que alcanza el agua subterránea después de un largo período de tiempo húmedo hasta el nivel más bajo que tiene la capa piezométrica o freática después de una sequía.
c)-Zona de saturación permanente, cuyo límite inferior es el nivel por debajo del cual ya no se encuentra agua subterránea. En minas y sondeos, la profundidad a que se hallan las rocas secas varía considerablemente, de acuerdo con las estructuras locales, pero no es raro que el límite esté entre los 600 y los 900 metros.
Donde la zona de saturación permanente suba por encima del nivel del terreno, se presentan surgencias, ciénagas, lagos o ríos. Cuando la zona de saturación intermitente alcanza la superficie, se originan inundaciones y aparecen fuentes intermitentes. Recíprocamente, muchos manantiales, charcos y hasta ríos de algunas regiones, están más o menos reducidos después de largos períodos de tiempo seco, en que la capa freática o piezométrica desciende por debajo del nivel ordinario.
Las rocas a través de las cuales el agua pasa libremente se llaman rocas almacén o reservorio. Pueden ser porosas y permeables como la arena y la arenisca, la grava y el conglomerado; o virtualmente impermeables y nada porosas, como el granito; pero, a pesar de eso, pueden ser algo permeables a causa de la presencia de diaclasas y de grietas conectadas entre sí, a través de las cuales puede deslizarse el agua.
Rocas impenetrables son aquellas a través de las cuales el agua no puede ser embebida con facilidad; pueden ser de dos clases: porosas, como la arcilla, o no porosas, como el granito compacto, sin grietas.
Debe observarse que, aun cuando la porosidad es esencial para que una formación pueda ser permeable para el agua, no constituye una condición suficiente. El tamaño y la disposición de los poros deben ser tal, que exista canales continuos, utilizables para el libre paso del agua. En las arcillas no existen vías de paso que permitan la circulación del agua.
Las arenas o las gravas ordinarias tienen una porosidad alrededor del 35% (es decir, el material considerado en volumen está compuesto del 35% de “huecos” y del 65% de “sólidos”), pero baja hasta alrededor del 15% en las areniscas compactadas y cementadas.
La porosidad de las rocas de Basamento Cristalino, tanto ígneas como metamórficas por lo general tienen una porosidad menos del 1%, pero también aquí puede circular el agua en pequeñas cantidades a través de vías de paso que proporcionan las diaclasas y grietas conectadas entre sí.
¿Qué preparativos y Estudios se deben realizar antes de determinar el lugar de la perforación?
En los estudios preliminares sobre la prospección de aguas subterráneas, intervienen en todas las etapas del estudio y de la investigación los siguientes ítems:
a-) prospección hidrogeológica, trabajos de reconocimiento geológicos y geofísicos.
Primeramente se determina el ámbito geológico donde se pretende explotar el agua del subsuelo, mediante planimetrías disponibles y fotografía satelital del área. Si la información Geológica es propicia, entonces se procede a la realización de un registro Geoeléctrico, o un Programa de registros geoeléctricos, llamados también Sondeos Eléctricos Verticales (SEV).
El comportamiento del subsuelo, como todo en la naturaleza, no resulta caprichoso, sino que se rige por una conjunción de leyes físicas y químicas.
Absolutamente todos los sedimentos que encontramos en el subsuelo (grava, arena, tosca, limo, arcilla, etc.), provienen de la erosión de rocas más antiguas. Son transportados por el viento y los ríos principalmente, hasta que son depositados y resultan enterrados por otros sedimentos que los cubren.
Si nos detenemos un momento a pensar en lo dicho anteriormente, resulta fácil entender que los sedimentos que se encuentran hoy a una profundidad de 100 metros, por ejemplo, constituyeron el paisaje sobre el que se asentaron los integrantes de los Reinos Animal y Vegetal de hace unos miles o millones de años atrás.
Todos estos depósitos integran la columna sedimentaria del subsuelo que, como vemos, resulta muy variable con las distancias.
Como podemos observar en el ejemplo de la Fig. Nº 1, dos pozos perforados a una distancia aproximada de 6 km atraviesan columnas sedimentarias distintas. La causa de esto es que los paleo canales de los ríos y los arroyos no se deslizan siempre por el mismo cauce sino que estos varia su posición a través del tiempo.
El conocimiento de la geología del subsuelo resulta complejo pero, afortunadamente, los avances tecnológicos facilitan un tanto esta tarea.
Para obtener una primera Información de la Geología de la Región y contribuir a la toma de decisión sobre la realización de una futura Perforación, la profundidad de la misma y la de calidad global del agua, se plantea la existencia de esta técnica geofísica indirecta, manejada en superficie, para conocer el comportamiento del subsuelo.
Como todo método indirecto, presenta un porcentaje de interpretación en su exactitud, pero tiene la suficiente precisión como para orientar la búsqueda de agua en forma rápida y a un costo relativamente bajo en comparación con otros métodos como es la exploración por pozos.
Por lo tanto luego del Registro Geolelectrico, tendremos una referencia de cómo continuar con la explotación, si el lugar estudiado tiene posibilidad de un importante potencia acuífera o es una zona de escaso potencial, y si la calidad justifica la perforación, siempre hablando de datos obtenidos como resistividades aparentes que responden a la interpretación del conjunto de sales totales.
b-) establecimiento del balance hídrico.
Los caudales explotados condicionados con las características hidrogeológicas de la capa acuífera, los factores de flujo y las obras de captación han de tener en cuenta las posibilidades de renovación de las reservas en aguas subterráneas.
La reconstrucción de las reservas, se halla sometida a la alimentación y al tiempo de flujo de las aguas subterráneas desde las zonas de infiltración a los sectores de explotación. Este tiempo es mas o menos largo y puede varia entre decenas miles o incluso entre ciento de miles de años en los mantos más profundos. Existe entonces un grado y un periodo de renovación.
El balance hídrico global tiene por objeto principal, establecer el saldo entre el activo y el pasivo, los aportes y las perdidas o gastos, y estudiar de esta manera la variación de las reservas en aguas calculando así los recursos explotables.
Este saldo se equilibra en condiciones naturales conforme al ciclo del agua y en ausencia de intervención humana.
El balance hídrico permite igualmente calcular por diferencia, uno de los elementos siendo conocidos los demás, por ejemplo la reserva reguladora en agua subterránea, la infiltración eficaz o la evapotranspiración real.
Los balances hídricos siempre hacen referencia a:
- periodo de referencia bien determinado.
- una unidad de volumen claramente delimitada.
El periodo de referencia, año hidrogeológico es base de calculo del balance y se refiere a un periodo bien acotado y todos los elementos han de relacionarse obligatoriamente un periodo igual.
Considerando la precisión de los datos de base y en función del objetivo perseguido, que es él calculo de los recursos explotables, el balance hídrico se establece usualmente durante un periodo anual como un año hidrogeológico medio y cuyo resultado puede clasificarse de global, este se determina mediante el estudio estadístico de la pluviometría.
La superficie piezométrica de los mantos acuíferos libres sufre, en condiciones naturales, fluctuaciones de nivel, en relación con el ritmo de las precipitaciones y de la evapotranspiración.
Siendo el balance hídrico el resultado de un saldo entre los aportes o entradas y los gastos o salidas, la primera etapa es la presentación de los elementos principales referentes a estos datos.
En los aportes podemos tener en cuenta en lugar de las precipitaciones P, la infiltración eficaz dw., es decir la fracción de las precipitaciones que alimenta las aguas subterráneas. En este caso otros dos factores como la evapotranspiración real E y el flujo o la escorrentía Q ya no se contabiliza con los gastos.
En regiones desarrolladas, es importantes la intervención del hombre por sus consumos de agua potable, industrial o agrícola. Estos datos deben entrar en el balance.
c-) valoración de los recursos y trabajos de capacitación.
La intervención del hombre, lleva a menudo a la ruptura del equilibrio del balance. El objetivo de la explotación racional es mantener este equilibrio, por lo tanto limitar las tomas de agua.
De este modo el estudio de los elementos del balance hídrico permite trazar un programa de exploración racional y coordinado de todos los recursos en aguas de una región determinada.
d-) control y conservación de los mantos.
El agua puede ser encontrada debajo de la tierra casi en cualquier sitio. Cerca del 94% del agua dulce del mundo, es agua subterránea. La calidad y cantidad del agua subterránea disponible varía de un lugar a otro. Las reservas mayores de agua subterránea son llamadas acuíferos o mantos acuíferos.
Los acuíferos se dan en formaciones geológicas con distintas caracteristicas. Las formaciones consolidadas son aquellas compuestas de rocas sólidas, donde el agua subterránea se encuentra en las grietas que estas poseen. La cantidad de agua en una formación consolidada depende de la cantidad de grietas que existen y del tamaño de éstas. Las formaciones no consolidadas son las mas importantes y están compuestas de arena, grava, congromerado, limo arenoso y tosca con permeabilidad secundaria por disolución de nodulos carbonaticos.
La cantidad de agua subterránea, en una formación consolidada, varía dependiendo de la compactación del material sólido y la finura de sus granos. Las formaciones de arena, grava, y conglomerado, generalmente forman acuíferos de gran capacidad y alto potencial en agua, sin embargo, los suelos formados por partículas muy finas como limos y toscas, suelen tener bajas cantidades de agua.
El agua subterránea puede salir espontáneamente formando manantiales o puede ser extraída a través de un pozo, basicamente por bombeo. Un manantial o pozo surgente, ocurre cuando la capa o manto acuífero de agua, alcanza la superficie de la tierra.
¿Cómo se diseña un pozo para captación se agua subterránea?
El método de perforación normal y más frecuentemente usado es el Rotativo directo, donde el trépano gira, muele y rompe el terreno que atraviesa, los recortes de la molienda o cutting, son extraídos mediante la “inyección”, que entra por las barras de sondeo y sale por la boca del pozo. Es un sistema rápido y moderno; pueden atravesar varios acuíferos intercalados entre capas impermeables. La extracción de las muestras requiere mucho cuidado. La “inyección” puede constituir un problema por la necesidad de disponibilidad de agua que implica la obra. El equipo, es a veces, algo complicado y requiere stock de repuestos cerca de la boca del pozo.
Disponiendo del proyecto de perforación, se inicia el Pozo Exploratorio, con un diámetro de trepano algo más pequeño que el que se usará finalmente para el entubado de producción. Esta primera pasada de trepano se utiliza para recoger los recortes o cutting y elaborar el Perfil Sedimentario del lugar. Además se utiliza este pozo para realizar el Perfilaje Eléctrico, que junto al Perfil Sedimentario se utilizaran para confección el Diseño Final del Pozo de Producción.
El perfil eléctrico del pozo exploratorio, asume capital importancia para realizar un buen trabajo. Es indispensable saber exactamente donde se hallan en profundidad, las capas impermeables y las capas permeables. De las permeables se debe saber su constitución y variaciones de textura o permeabilidad relativa, asimismo se conocerá su espesor. De las impermeables se debe conocer su posición pues ellas son las que delimitan el aislamiento entre los sucesivos intercalados acuíferos.
Debe identificarse bien el acuífero a explotar pues de ello depende una correcta instalación y dimensionamiento de los filtros para lograr, por consiguiente, una buena explotación.
Con el sistema a rotación directa la obtención de buenas muestras depende considerablemente de la habilidad, cuidado y experiencia del perforador.
Un método común de muestreo, es perforar la formación que se desea muestrear programadamente, por ejemplo cada 2 metros, sin detener la rotación del sondeo, calculando el tiempo de demora de ascenso de la muestra, desde el fondo, hasta la boca de pozo. Se recogen las muestras, eliminando por decantación o lavado el exceso de lodo de perforación. Se rotula la muestra.
Las muestras deberán ser tomadas con el mayor cuidado posible, especialmente las que comprenden el acuífero, que serán sometidas a ensayos granulométricos, para determinar la medida de abertura de la ranura del filtro a elegir en cada caso.
Con respecto a la ubicación del filtro en el acuífero, deberemos tener siempre presente el siguiente principio fundamental: el filtro debe ser colocado en el lugar más permeable, más grueso, más limpio del acuífero. Para decidir eso, es evidente que las muestras deben ser representativas del manto acuífero de la formación y el Perfil Eléctrico de buena calidad de registro.
Los niveles de agua también son definitorios en cuento a posición del filtro, siendo preferible que el nivel Dinámico no sobrepase el extremo superior del filtro. Esta es una regla muy sencilla que debe tenerse muy en cuenta.
En términos generales la ubicación de los filtros frente a un manto acuífero, se realiza de la siguiente forma:
a)- El acuífero freático debe captarse con un filtro que sea 1/3 del espesor del acuífero, colocado en el fondo de la capa.
b)- El acuífero confinado debiera captarse con un filtro que sea un 70%-80% del espesor del acuífero; en lo posible colocado en el centro de la capa acuífera.
Luego del análisis del pozo exploratorio e identificación precisa de los tramos donde se colocaran los filtros, se procede al ensanche y/o rectificación del Pozo de Producción y finalmente se determina la profundidad definitiva de entubado, que puede o no coincidir con la profundidad del pozo exploratorio.
Los niveles de agua deberán ser cuidadosamente consignados y al realizar la prueba del Ensayo de Bombeo del pozo se obtendrá minimamente datos de Caudal y Depresión, pudiéndose conocer la Capacidad Especifica, de un gran valor significativo.
Los datos que se pueden extraer del Ensayo de Bombeo del Pozo de Producción son los siguientes:
Nivel estático (NE): Es el nivel del agua en un pozo cuando éste no está sometido a bombeo.
Nivel dinámico (ND): Es el nivel del agua en un pozo cuando se está bombeando.
Depresión (s): Es la diferencia entre los dos niveles mencionados anteriormente, ND – NE = s.
Caudal (Q): Es la cantidad de agua que se bombea en indeterminado tiempo.
Capacidad específica (Q/s): Es el caudal que puede extraerse del pozo por cada unidad de medida que se deprima los niveles de agua. Resulta el cociente del caudal y la depresión. Por ejemplo: 17 m3/h/2,60 m depresión
Cono de depresión: Es el cono que se forma en torno de un pozo como consecuencia del bombeo. A medida que el agua se acerca al pozo aumenta continuamente su velocidad y su gradiente hidráulica. Eso se manifiesta en las presiones o directamente en la superficie freática, formando un cono con su ápice en el Nivel Dinámico y su base conformada por el lugar geométrico de los puntos más próximos al pozo en los que el nivel del agua no ha sufrido descenso; es decir, donde no ha llegado la influencia del bombeo. El radio de la base de ese cono se conoce como Radio de Influencia del pozo en bombeo. Este dato es muy importante para evitar interferencia entre pozos cercanos.
Permeabilidad (P): Es la propiedad de un manto acuífero relacionada con la función de “conducto o canal”. Se define como la capacidad de un medio poroso para transmitir agua.
Transmisividad (T): El Coeficiente de Tramnsmisividad de un acuífero indica cuánta agua se moverá a través del manto acuífero. Se define como la cantidad de agua que escurre durante un período de tiempo a través de una franja vertical del acuífero, de un ancho de un metro y de espesor igual al del acuífero, bajo una gradiente hidráulica de 1 (o 100%).
Coeficiente de Almacenamiento (S): Este coeficiente del acuífero indica cuánta agua puede entrar en el acuífero. Es el volumen de agua que entra en el acuífero o sale de él por unidad de Área horizontal del acuífero y por unidad de variación de Depresión. En acuíferos freáticos, S es igual al Caudal Específico del material desagotado por el bombeo.
¿Cómo se controla el rendimiento de una perforación?
El agua subterránea se agota en un área cuando se consume más agua de la que ingresa al acuífero. Esto causa que el manto freático disminuya, por lo que el agua subterránea se hace más difícil y cara de extraer. Puede suceder que se bombee una gran cantidad de agua de un acuífero pequeño y esto cause que el pozo del vecino se seque (el nivel del manto freático queda por debajo del nivel del pozo). La rápida expansión de las áreas urbanas resulta en el sobreuso de los suministros del agua subterránea y provoca su agotamiento y contaminación
Teniendo en cuenta los datos obtenidos del Ensayo de Bombeo inicial del pozo y el Balance Hídrico de la región, se puede lograr una explotación racional y de esta forma mantener el recurso del agua como Renovable.
Otro factor fundamental, que se debe cuidar en el rendimiento de una perforación de explotación, es la contaminación del agua.
El agua subterránea se contamina cuando algunas sustancias tóxicas se disuelven en el agua superficial y son acarreadas o lixiviadas a acuíferos con el agua percolada. Se deben considerar las propiedades y cantidades de las sustancias tóxicas y del suelo encima del acuífero para determinar si una sustancia en particular contaminará a un acuífero específico.
Algunas veces la contaminación del agua subterránea ocurre en forma natural, pero la contaminación aguda es usualmente el resultado de las actividades humanas en la superficie de la tierra. Un acuífero provée una gran cantidad de agua que frecuentemente atrae a una gran cantidad de personas en sus alrededores.
El agua es usada en actividades tales como beber, higiene personal, mantenimiento residencial y con propósitos industriales o agrícolas. Muchas de estas actividades involucran el uso y desecho de productos químicos que son potencialmente contaminantes. Cuando estos productos químicos son usados o desechados en forma incorrecta y en cantidades inaceptables, pueden llegar al agua subterránea y contaminarla.
Debido a que el agua subterránea se mueve lentamente, pueden pasar varios años antes de que un contaminante, liberado en la superficie de la tierra encima del acuífero, sea detectado en el agua del acuífero a cierta distancia del sitio de contaminación. Desafortunadamente, esto significa que la contaminación ocurre antes de que sea detectada. Aun si se ha detenido la liberación del contaminante, pueden pasar varios años antes de que el acuífero se purifique en forma natural.
Aunque el agua puede ser tratada para remover los contaminantes, esto puede ser muy costoso. La mejor protección contra la contaminación es la prevención.
La protección contra la contaminación de nuestra agua subterránea, requiere un manejo conciente y la cooperación por parte de los ciudadanos y de varias instancias gubernamentales. La planificación del uso del suelo es la mejor medida disponible para proteger los acuíferos que aún contienen agua de buena calidad. Si se planifica la localización de fuentes potenciales de contaminación y se les ubica lejos de las áreas críticas de recarga, el riesgo de contaminación se reducirá notablemente.
El uso cuidadoso y la eliminación apropiada de los productos químicos que causan contaminación son también necesarios. Las industrias, las granjas y los vecinos asentados encima de las reservas de aguas subterráneas necesitan practicar un buen manejo con respecto al uso y eliminación de productos químicos.
Un paso importante, es hacer que las personas estén concientes del impacto potencial que ellos pudieran tener en el agua subterránea.