Anteproyecto de Recarga Artificial de Acuiferos en La Cuneca Del Rio Sonora

AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRULICA

ACAPULCO, GUERRERO, MXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH

Introduccin Anteproyecto de recarga artificial de acuferos en la cuenca del ro Sonora La alta demanda hdrica en las partes media y alta del estado de Sonora ha provocado un incremento en las extracciones del acufero para abastecimiento de agua potable en la ciudad. Aunado a la sobreexplotacin provocada, se tienen los efectos ocasionados en la calidad del agua subterrnea resultado de diversas actividades desarrolladas por el hombre como el uso de fertilizantes, pesticidas y la disposicin que se hace de las aguas residuales urbanas, entre otros. El anlisis del ciclo hidrolgico en la cuenca refleja ciertas reas de oportunidad para incrementar los volmenes de agua, mediante una reduccin de evaporacin, desalinizacin de agua marina, una mejora en el proceso de infiltracin con recuperacin de volumen y reso. El Instituto de Ingeniera de la UNAM, mediante el proyecto Optimizacin del Aprovechamiento Hdrico en la Cuenca del Ro Sonora y Anteproyecto de Recarga Artificial de sus Acuferos ha propuesto una gestin integral a travs de la optimizacin de las ltimas dos alternativas citadas, considerando la implementacin de un dispositivo de recarga artificial hacia el acufero con el reso del agua residual tratada de la ciudad de Hermosillo como fuente de alimentacin al sistema. En la actualidad se est realizando una recarga no inducida en el acufero con excedentes procedentes del riego en el distrito La Yesca, cuya fuente de origen es el agua residual generada por la ciudad de Hermosillo. Se tiene contemplada la construccin de una planta de tratamiento de aguas residuales que reciba dicho efluente, por lo que las inmediaciones de esa regin fueron evaluadas como posibles sitios potenciales para ubicar los mecanismos de recarga artificial. El presente artculo analiza la propuesta de la instalacin de estructuras para recarga artificial, su funcionamiento hidrulico y el impacto general hacia las reservas subterrneas. Caracterizacin y problemtica del acufero

La limitacin de la zona del acufero en estudio pertenece a la regin hidrolgica (RH9, Figura 1). Durante el desarrollo de este proyecto, se realiz un estudio sobre la definicin y conceptualizacin del funcionamiento e

interaccin de los aprovechamientos hdricos de la cuenca del ro Sonora. Se dise y calibr el modelo del manejo integral de la cuenca como una tcnica de apoyo a la toma de decisiones y como instrumento para disear y manejar el esquema ptimo del manejo de los recursos hdricos en esta cuenca, trabajo que se presenta en este congreso (Palma, et al.).

Figura 1. Zona de estudio. Las corrientes superficiales, as como el agua subterrnea, adems de otros recursos, desempean un papel importante en el desarrollo econmico de la zona. Los ros principales considerados en este modelo son: el ro Sonora, el arroyo La Junta, el ro San Miguel, el Zanjn, la Poza y el arroyo la Manga. Los embalses son la Presa Abelardo L. Rodrguez y la Presa Rodolfo Flix Valdez El Molinito. El esquema general del rea de estudio se presenta en la figura 2. Los sitios de demanda son las ciudades y los distritos de riego. Aqu se contemplan la ciudad de Hermosillo, los distritos de riego: Pesqueira, San Miguel, Mesa del Seri, La Yesca, La Manga y Siete Cerros (distrito que pertenece al de la Costa de Hermosillo). En la zona de estudio existen dos estaciones hidromtricas, El Organo y el Cajn.

ANTEPROYECTO DE RECARGA ARTIFICIAL DE ACUFEROS EN LA CUENCA DEL RO SONORA

Mendoza Mata Anglica, Palma Nava Adriana, Gonzlez Villareal Fernando J. Instituto de Ingeniera, Universidad Nacional Autnoma de Mxico.

Edif 5, Instituto de Ingeniera, Circuito Escolar, Ciudad Universitaria, 04510, Mxico, D. F.

[email protected], [email protected], [email protected]



Definido el funcionamiento hdrico de la cuenca, se estudi la definicin del rea para implementar la recarga artificial. Figura 2. Esquema de los elementos hdricos de la cuenca.

El sitio seleccionado para la instalacin de la recarga artificial se encuentra especficamente ubicado a las inmediaciones del municipio de Hermosillo, aguas debajo de la presa Abelardo L. Rodrguez, cerca del distrito de riego La Yesca. El acufero se caracteriza por estar conformado principalmente por aluvin establecido en el perodo cuaternario, asociado a reas con pendientes suaves (0-5%), constituido por gravas, arenas y limos. En general, este tipo de suelo presenta permeabilidad media a alta, por lo que funciona como zona de recarga. Trabaja como acufero libre, teniendo como caractersticas principales una profundidad de nivel esttico promedio al ao 2010 de 110 m, un espesor de zona saturada de 200 m y un coeficiente de almacenamiento de 0.05. Se realizaron seis pruebas de infiltracin en el sitio que permitieron determinar una tasa mediante el uso de frmulas empricas (Horton) que arrojan como resultado promedio una de infiltracin de 1.6 m/da. Las lneas de flujo presentan direcciones generales de este a oeste, siguiendo la topografa del relieve. Considerando esta direccin de flujo, se pretende que la proyeccin de las estructuras siga la orientacin original del flujo subterrneo. Por otra parte, la calidad del agua tratada infiltrada deber cumplir en su origen, rgimen de descarga, tipo y nivel de tratamiento, volumen de agua disponible, uso o destino, caractersticas fsico-qumicas y microbiolgicas con los trminos del requisito 6.4.6 de los lineamientos generales de la norma NOM-014-CONAGUA-2007, que establece los lmites permisibles de las caractersticas principales que definen a la calidad del agua para recarga. La ciudad de Hermosillo es actualmente la ms poblada y con mayor tasa de crecimiento en el estado de Sonora. Proyecciones para el ao 2030, esperan una poblacin cercana al milln de personas (CONAPO, 2008). Como consecuencia

directa del crecimiento poblacional se presenta la disponibilidad limitada de los recursos hdricos. La dependencia inicial al suministro por parte de la poblacin, era abastecida por la presa Abelardo L. Rodrguez. Posteriormente se recurri a otras fuentes de abastecimiento, extrayendo agua de pozos construidos alrededor de ella. As, la provisin pas a recaer en la explotacin de agua subterrnea por medio de pozos y un acueducto que conduce agua desde la presa El Molinito. Una de las problemticas principales referidas al uso y concesin del agua est enmarcada por una competencia por los recursos entre la regin urbana y los productores rurales aguas arriba y abajo de la presa. Finalmente en el ao 2005, se firm un convenio con los usuarios de la Costa de Hermosillo, para transferir el recurso de uso agrcola a urbano, abriendo una nueva captacin llamada Los Bagotes. El clculo de la disponibilidad de agua subterrnea puede realizarse aplicando la Norma Oficial Mexicana NOM-011-CNA-2000, en la que se establecen las especificaciones y el mtodo para determinar la disponibilidad media anual de las aguas nacionales, que en fraccin relativa a las aguas subterrneas establece Donde R representa la recarga total media anual -suma de todos los volmenes que ingresan al acufero, en forma de recarga natural ms la recarga inducida (Mm3/ao)- D, indica la descarga natural comprometida -volmenes de agua procedentes de manantiales o de caudal base de los ros alimentados por el acufero, aprovechados y concesionados como agua superficial- y V, Volumen anual de agua subterrnea concesionada e inscrita a REPDA: volumen anual concesionado.

Tabla 1. Disponibilidad media anual de agua subterrnea en el acufero del ro Sonora en Mm3. CNA (2004).

La cifra obtenida de manera aproximada indica que no existe volumen disponible para nuevas concesiones y que la situacin del acufero se encuentra en sobreexplotacin. Puede aceptarse la hiptesis de que la infiltracin de un volumen ptimo para recargar el acufero aumente la disponibilidad media anual del agua subterrnea La instalacin de recarga artificial La determinacin del sitio ptimo de ubicacin de las obras de recarga se encontr bajo las condiciones particulares del proyecto, que enmarcan como principales factores decisivos el reso del agua tratada como fuente de abastecimiento al sistema. Lo anterior descarta de manera automtica sistemas de recarga en profundidad, que requieren poco espacio y bajas

Disponibilidad media anual

Recarga total media

anual

Descarga natural

comprometida

Volumen anual de

agua concesionado (REPDA)

-45.08 66.60 0 111.68



permeabilidades, adems de representar una opcin econmicamente ms alta respecto a los sistemas superficiales. La zona propuesta presenta una topografa poco accidentada y pendientes suaves. Lo anterior permite establecer requerimientos mnimos de acondicionamientos previos para nivelaciones, para cualquier sistema de recarga en superficie que se elija, ver figura 3.

Figura 3. Disposicin de las lagunas de infiltracin. El caudal recargable en zonas con grandes extensiones en el terreno puede llegar a ser significativo. Por otra parte, el grado de depuracin del agua en el terreno puede ser tambin alta, al establecer el paso por un medio no saturado. Los aspectos mencionados anteriormente permiten establecer un sistema de recarga en superficie como la alternativa ms eficiente para el caso de estudio presente, por lo que el mecanismo ms adecuado corresponde a un arreglo conformado por lagunas de infiltracin. El arreglo general del sistema propuesto se encuentra constituido por estanques de infiltracin, que tienen como alimentacin un canal principal lateral a ellos que transita el efluente proveniente de la PTAR. El recorrido del flujo a travs del canal es controlado por represas que permiten mantener ciertos niveles de operacin y caudales, los cuales, a travs de tomas conducen el flujo contenido hacia el interior de los estanques. El gasto que alimentar al sistema estar en funcin de la poltica de funcionamiento presente en la planta de tratamiento de aguas residuales. El efluente tendr dos destinos: su uso en el distrito de riego La Yesca y su utilizacin en las lagunas de infiltracin propuestas para la recarga artificial del acufero. Los escenarios de funcionamiento presentados dependern de algunas consideraciones y probabilidades de ocurrencia, tales como la presencia de un evento extremo, necesidades especficas o demanda de riego para el cultivo en el distrito, entre otras.

El gradiente hidrulico para el diseo de las lagunas se consider unitario. De acuerdo a lo anterior, se presenta a

continuacin una tabla resumen con los datos de diseo considerados:

Tabla 2. Datos iniciales para dimensionamiento general de lagunas de infiltracin.

Datos

Coeficiente de permeabilidad

k = 1.6 m/da = 1.8519 x 10-3 cm/s

Carga hidrosttica H = 1.5 m

Espesor estrato permeable 20 m

Gasto de entrada a los estanques

2.5 m3/s Qe 5 m3/s

Considerando lo anterior, se tiene el siguiente rango de reas de infiltracin: Tabla 3. reas de infiltracin para diferentes escenarios de gastos

probables.

Gasto Gasto Tasa de infiltracin rea m3/s m3/da m/da ha

5 432000 1.6 27 4.5 388800 1.6 24.3 4 345600 1.6 21.6

3.5 302400 1.6 18.9 3 259200 1.6 16.2

2.5 216000 1.6 13.5 El gasto mximo contemplado corresponde a los 5 m3/s y el rea de infiltracin asociada son 27 hectreas (para efectos de diseo se considerarn 30). La eleccin de esta condicin asegura una superficie suficiente para la infiltracin total del agua, an en condiciones de evento extremo. Por lo anterior, se proyectaron cinco lagunas para ciclos de operacin ordinaria y una ltima como proteccin para un evento extremo. As las superficies corresponden a 4.5 y 7.5 hectreas, respectivamente. La topografa regular observada en el sitio permiti proyectar arreglos considerando propiedades geomtricas uniformes y diseos simtricos, por lo tanto se propuso que las lagunas de infiltracin presenten superficies regulares alargadas, que estn separadas por bordos libres, cuyas dimensiones pueden observarse en el croquis de la figura 4. La ilustracin anterior corresponde a las dimensiones generales que presentan las lagunas de operacin ordinaria. El estanque destinado a eventos extremos presenta la nica diferencia en el ancho de plantilla del estanque, que corresponde a 250 metros. Las dimensiones de los estanques tendrn una seccin trapecial con las siguientes caractersticas:



Figura 4. Croquis de la geometra general de laguna de infiltracin destinada a uso ordinario. Dimensiones en metros.

Tabla 4. Dimensionamiento general de estanques de infiltracin.

Caractersticas

Ancho de la plantilla del estanque, b = 150 m

Pendiente de fondo, s = 0

Tirante, d = 1.50 m Coeficiente (tierra limpia), m = 0.030

Talud, t = 2:1 Bordo libre, bl = 1.0 m

Ancho de la superficie libre, B = 156 m

Altura total, H = 2.50 m

El canal lateral que transita el flujo del efluente de la PTAR qued caracterizado geomtricamente de la manera resumida en la tabla 5. La localizacin de las represas y su espaciamiento son funcin de la ubicacin de cada laguna. Se proyect de manera tal, que cada una de las balsas quede abastecida por una obra de toma, la cual tendr inmediatamente aguas abajo la estructura de la represa que contenga el flujo que transporta.

Las compuertas deslizantes pertenecientes a las represas responden a un diseo prototipo estandarizado de acuerdo a la American Water Works Association (A.W.W.A), las cuales, se caracterizan por estar constituidas de fierro fundido o acero. Se eligieron dos compuertas deslizantes de fierro fundido de 1.22 m de ancho por 1.52 m de altura, separados por una pila

central.

Tabla 5. Dimensionamiento general del canal lateral.

Variable Valor

Gasto Q (m3/s) 5

Pendiente (s) 0.0003

Ancho de plantilla (m) 3.30

Taludes (m = 1.5) 1.5

Rugosidad 0.028

Tirante (m) 1.50

rea hidrulica (m2) 8.33

Permetro mojado 8.71

Radio hidrulico (m) 0.96

Velocidad (m/s) 0.60

Finalmente, diversas iteraciones permitieron conocer que un dimetro de 1.22 m para la toma, provocara la menor magnitud de prdidas en los tubos que transitan el flujo almacenado en el canal por la represa. (Figura 5).

150

4 m

1.5

30 m

Figura 4. Esquema general de compuertas en canal



Funcionamiento hidrulico de lagunas. La capacidad de almacenamiento o volumen acumulado en las lagunas de infiltracin pudo determinarse mediante dos condiciones. La primera refiere a la consideracin de la laguna como un recipiente contenedor de lquido (material impermeable). La segunda contempla las condiciones reales de sitio, determinado el volumen de almacenaje en funcin del gasto infiltrado al subsuelo. El volumen acumulado tiene asociado como parmetro principal el tiempo de llenado. Esta condicin fue calculada considerando tambin ambas situaciones, en las lagunas destinadas a uso ordinario. Los gastos de entrada dependern de la poltica de operacin implementada por la PTAR, dependiendo de la cantidad de recurso asignada al distrito de riego y a la infiltracin por medio de las lagunas. Por lo anterior se presentan resultados considerando los diferentes caudales de entrada que puede presentarse. Considerando material impermeable: Tabla 6. Tiempos de llenado correspondientes a cada laguna para

diferentes gastos de alimentacin, en condiciones de material impermeable.

Gasto de entrada

Capacidad de almacenamiento

Tiempo de llenado

m3/s m3 s

5 68850 13770

4 68850 17212.5

3 68850 22950

2 68850 34425

1 68850 68850

Puede observarse que para un gasto mximo (5 m3/s) el tiempo de llenado corresponde a 3 horas con 50 minutos para cada estaque. Lo anterior significa que las cinco lagunas alcanzaran un volumen de llenado total en 19 horas con 8 minutos, presentndose flujo continuo en el canal y sin considerar la operacin de las represas. De la misma manera, para un gasto ordinario (alrededor de 2.5 m3/s), se tiene que el tiempo de llenado corresponde a 7 horas con 40 minutos para cada estanque. Por lo que el tiempo de llenado total correspondera a 38 horas con 15 minutos. Considerando un material permeable: La condicin de Dupuit-Forchheimer establece que para algunos sistemas el flujo puede ser considerado como puramente horizontal y uniformemente distribuido con la profundidad. El flujo en estos sistemas es horizontal y vertical, pero puede ser simplificado cuando el agua en su mayora se mueve en una sola direccin. Se asume entonces, que el tirante en el cuerpo del agua se vuelve despreciable respecto a la profundidad que tiene que atravesar el flujo. El volumen real de llenado estar en funcin del volumen total de entrada, el volumen infiltrado y el tiempo de llenado. El gasto de infiltracin fue calculado mediante la ley de Darcy.

Por lo tanto, volumen real de llenado para diferentes gastos de alimentacin considerando las caractersticas permeables del suelo es: Tabla 7. Volmenes y tiempos de llenado correspondientes a cada laguna para diferentes gastos de alimentacin, en condiciones de

material permeable.

Gasto de entrada al estanque

Gasto de infiltracin

Tiempo de llenado considerando

material impermeable

m3/s m3/s s 5 0.833 13770 4 0.833 17212.5 3 0.833 22950

2.5 0.833 27540 2 0.833 34425 1 0.833 68850

Volumen infiltrado

en el tiempo de

llenado

Volumen total real de

llenado

Tiempo total real de llenado considerando el volumen infiltrado

m3 m3 s 11470.41 80320.41 16064.08

14338.012 83188.012 20797

19117.35 87967.35 29322.45

22940.82 91790.82 36716.32

28676.025 97526.025 48763.01

57352.05 126202.05 126202.05 En estas condiciones, puede observarse que para un gasto mximo (5 m3/s) el tiempo de llenado corresponde a 4 horas con 28 minutos para cada estaque. Lo anterior significa que las cinco lagunas alcanzaran un volumen de llenado total en 22 horas con 19 minutos, presentndose flujo continuo en el canal y sin considerar la operacin de las compuertas. De la misma manera, para un gasto ordinario (alrededor de 2.5 m3/s), se tiene que el tiempo de llenado corresponde a 10 horas con 12 minutos para cada estanque. Por lo que el tiempo de llenado total correspondera a 51 horas, considerando flujo libre. Discusin de resultados. La evaluacin del dispositivo permiti conocer las condiciones generales de funcionamiento hidrulico que permitieron determinar ciertos escenarios futuros alentadores para el abatimiento del agua subterrnea en el acufero. Con los resultados obtenidos, se estableci que la demanda creciente de volmenes, difcilmente podrn ser satisfechos con el manejo actual de las fuentes de abastecimiento que ofrece la cuenca del ro Sonora. Debido a este panorama, se



encontr que la recarga artificial representa una opcin para poder mejorar y sustentar las expectativas de desarrollo integral de esta cuenca. A partir de esto, se model el efecto de las mismas en los acuferos; conjuntamente se evaluaron los efectos en el esquema del manejo integral de la cuenca. Los resultados de este simulacin permitieron estimara que el efecto de la recarga artifical, disminuye en promedio un 60 % la sobreexplotacin de los acuferos. Conclusiones Los modelos desarrollados permitieron hacer el anlisis de tendencias, y la evaluacin de distintos escenarios, demostrando que Al implementar la recarga artificial de los acuferos, la sobreexplotacin del acufero disminuye, de tal forma que este esquema permite abastecer a la ciudad de Hermosillo considerando un incremento de poblacin del 1.7 % anual con costos bajos, esto an durante sequas prolongadas a un costo reducido y sustentable, en un esquema de anlisis de 25 aos. Referencias bibliogrficas Agua de Hermosillo, 2007. Proyecto ejecutivo de las obras de recarga al acufero La Victoria a travs de estanques de infiltracin por gravedad, ubicadas en la margen derecha del Ro Sonora, dentro del municipio de Hermosillo, Sonora. Mxico. CONAGUA, Comisin Nacional del Agua, 2002. Norma Oficial Mexicana NOM 011-CONAGUA-2000, Conservacin del recurso agua que establece las especificaciones y el mtodo para determinar la disponibilidad media anual de las aguas nacionales. CONAGUA, Comisin Nacional del Agua, 2004. Memorias del foro del agua, III Reunin. Importancia de la medicin del ciclo hidrolgico y disponibilidad de aguas nacionales. Celebrado en la Universidad de Sonora, del 28 al 30 de abril de 2004. Hermosillo, Mxico. CONAGUA, Comisin Nacional del Agua, 2004. Norma Oficial Mexicana NOM 014-CONAGUA-2003, Requisitos para la recarga artificial de acuferos con agua residual tratada. Custodio Gimena, Emilio. 1976. Hidrologa subterrnea. Barcelona: diciones Omega. Hernndez Roa, Alberto. 2007. Tesis: La recarga artificial como posible solucin a la sobreexplotacin del acufero del Valle de Toluca. Mxico. IMPLAN, Instituto Municipal de Planeacin Urbana. 2011. Planos DPU 2006 2009 Hermosillo. [En lnea] http://www.implanhermosillo.gob.mx Murillo Daz, Jos Manuel, y otros. 1999. Recarga artificial de acuferos. Sintess metodolgica, estudios y actuaciones

realizadas en la provincia de Alicante. [En lnea] Septiembre de 1999. http://www.igme.es. Espaa. Pineda Pablos, Nicols, y otros. 2010. Escenarios de demanda y polticas para la administracin de agua potable en Mxico: el caso de Hermosillo, Sonora. Sonora : El Colegio de Sonora. Mxico. Quevedo Estrada, Jos. 2007. Tesina: Propuesta de accin para la gestin integrada en la costa de Hermosillo, Sonora. Mxico. UNAM CESUES, 2011. Informe: Determinacin de parmetros geohidrolgicos de la zona acuifera de Hermosillo (aguas abajo de la presa Abelardo L. Rodrguez) Hermosillo, Sonora. Mxico. SSA, Secretara de Salud, 1994. Norma Oficial Mexicana NOM 127-SSA1-1994, Salud Ambiental, Agua para uso y consumo humano: Lmites permisibles de cantidad y tratamiento a que debe someterse el agua para su potabilizacin. Agradecimientos Los autores quieren agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa y a la Comisin Nacional del Agua por el financiamiento a este proyecto.

Anteproyecto de Recarga Artificial de Acuiferos en La Cuneca Del Rio Sonora

Documents

Transcript of Anteproyecto de Recarga Artificial de Acuiferos en La Cuneca Del Rio Sonora