Captacion de Agua

CAPTACION DE AGUA

MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 1

CAPITULO 4.CAPTACIÓN DE AGUAS

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CAPITULO 4. CAPTACIÓN DE AGUAS

Pág.

4.1- La Captación del agua 3

4.2- Captación superficial 10

4.2.1- Presas 11

4.2.2- Tipología de presas 11

4.2.3- Diseño de la presa 20

4.2.4- Desagües-Aliviadero 29

4.2.5- Datos varios sobre presas 53

4.2.6- Otras obras de captación superficial 57

4.3- Aguas Subterráneas 66

4.3.1 Características de las Aguas Subterráneas 67

4.3.2 Conceptos básicos de Hidrogeología 74

4.3.3 Construcción de Pozos 89

4.3.4 Contaminación del Agua Subterránea 120

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4.1- La Captación de Agua

Un sistema de abastecimiento de agua esta formadoesencialmente por: la fuente de agua y su obra de captación, obras deconducción o transporte, almacenamiento, tratamiento y distribución.

Las fuentes de abastecimiento por lo general deben serpermanentes y suficientes, cuando no son suficientes se busca lacombinación de otras fuentes de abastecimiento para suplir la demanda oes necesario su regulación. En cuanto a su presentación en la naturaleza,pueden ser fuentes superficiales (ríos, lagos, mar) o subterráneas(acuíferos).

La captación de aguas de fuentes superficiales, sean ríos, lagos eincluso el mar deben llevar obras de captación adaptadas a lascondiciones y características de la masa de agua a captar.

La regulación de las aguas nos permite disponer de éste en casitodo momento, sea la estación que sea y sin importar las variaciones de lademanda. Para lograr la regulación se debe almacenar el agua dediferentes maneras como: tanques compensadores, presas, etc.

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Reseña histórica de las Obras de Captación

El hombre a través del tiempo siempre se ha ingeniado diversossistemas para la captación del agua así como para la regulación degrandes y pequeños caudales motivado por el control y la obtención delagua. Se han encontrado en excavaciones de ruinas prehistóricasdiversas estructuras de sistemas de abastecimiento de agua. Referenciasbíblicas describen como construyen tanques y se conducía el agua aciudades.

En épocas muy remotas en los valles de los ríos Tigris y Eúfratesse construían lagos artificiales que permitían regular las aguas de lascrecidas de los ríos y almacenarlas para el consumo y riego. Losmesopotámicos acostumbraban a excavar canales y formar diques con elmaterial extraído para evitar inundaciones.

En Persia, Palestina, India y China, en época precristiana seutilizaban pozos para abastecer diversos usos. Además en Persia sellegaron a excavar pozos entre 25 y 100 metros de profundidad y en chinade hasta 500 metros.

Estudios Previos para el Proyecto de Captación de Aguas

Cuando se va a diseñar una obra de Captación y en general elsistema de abastecimiento de agua, independientemente de suproporción, se deben realizar una serie de estudios previos del sitio quese beneficiará e incluso de sus cercanías. Es necesario investigar todaslas condiciones para lograr obtener un diseño que logre satisfacer todaslas necesidades requeridas de la manera más económica y con el menorimpacto ambiental posible.

Entre los estudios que se deben realizar están:

• Estudios demográficos

• Estudios hidrológicos

• Estudios geológicos y topográficos

• Estudios de las aguas

• Estudios de las obras existentes

• Estudios de impacto ambiental

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Estudios demográficos

Se va ha Captar agua para una zona especifica, por lo tanto esnecesario conocer la población a servir y calcular la población futurasegún las características de crecimiento y demás estadísticas que setengan al respecto. Adicionalmente se debe tener en cuenta los diferentesusos del agua que se va a captar, variaciones de demanda diaria y anual,y otros datos socioculturales característicos de la zona para calcular uncaudal de servicio.

El consumo de agua para abastecimiento humano puede tenercifras muy variables, de hecho es uno de los índices manejados paradefinir el grado de desarrollo de las naciones, unas cifras orientativaspodrían estar entre 100 y 300 l/habitante y día.

Estudios hidrológicos

Debe investigarse los datos de caudales máximos y mínimos de lafuente, sea superficial o subterránea. Recopilándose los aforos, si existen,y caudales mínimos en épocas de sequía, y en todo caso estudiar laposibilidad de regulación para satisfacer los requerimientos de consumo,para lo cual, en el caso de fuentes superficiales, será necesario unlevantamiento topográfico del sitio donde se situaría el embalse.

Para un buen estudio hidrológico se debe contar con una serie dedatos pluviográficos que caractericen la cuenca en cuestión. Lasestaciones hidrológicas de la cuenca y cercanas a ellas debenproporcionar información acerca de: evaporación, temperatura, humedadrelativa del aire, velocidad y dirección de los vientos, profundidad de ríosy/o lagos, perfiles transversales, etc. En el caso de Aguas subterráneadebe estudiarse las condiciones de calidad de dichas aguas, el caudalaprovechable, niveles estáticos y de bombeo y los respectivos estudiosgeológicos específicos.

Estudios geológicos y topográficos

Para obras de captación y regulación de gran magnitud comoembalses y tanques de almacenamiento grandes, es importante realizarestudios geológicos que permitan conocer las condiciones y capacidades

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de fundación de los suelos, ya que, el peso de dichas estructuras, el delagua y su influencia en la resistencia, es considerable.

También en el caso de captaciones de aguas subterráneas esimprescindible el estudio geológico de la cuenca. Sobretodo lahidrogeología de la zona en cuanto al tipo de formación y todas lascaracterísticas hidrogeológicas fundamentales que puedan conocersepreviamente.

Otro objetivo del estudio geológico, así como del geofísicocomplementario, es la investigación sobre yacimientos o canteras paramateriales de la presa: áridos para el hormigón, piedra para escollera,arcillas para núcleos, etc. En cuanto a la topografía se sabe que el terrenono sólo tiene unas propiedades, sino también unas formas y unasdimensiones. Es esencial disponer de una buena topografía de cerrada yembalse.

El plano del embalse para primeros tanteos, puede ser de escalaalta (1/50.000 ó 1/25.000) siempre que su extensión sea importante. Peroel estudio definitivo, tanto para geología como para la cubicación de sucapacidad, debe ser de una escala no inferior a 1/5.000. Es bastanteusada la 1/2.000, que puede ser algo menor si el embalse es muy grandey pasar a 1/1.000 cuando es reducido.

La cerrada exige un plano más detallado, pues hay que definir enella las obras de la presa y las instalaciones auxiliares necesarias. Paraprimeros tanteos podrá bastar un 1/5.000 y desde luego uno a 1/2.000.Pero para el proyecto definitivo hay que bajar a 1/5.000 o 1/200, según loscasos. Para definir la presa es preciso obtener, además, perfilestransversales de ella, cuya escala sea algo mayor, 1/200 ó incluso más.Estos perfiles transversales se pueden obtener primero del taquimétrico aescala superior, pero una vez replanteada la presa conviene obtenerlosdirectamente sobre el terreno.

Estudio del agua

Debería ser el primer estudio que se debe hacer ya que la calidadde las aguas restringe su uso y condiciona las características deltratamiento potabilizador posterior. Esta comprendido dentro del estudioprincipalmente las características físico químicas y bacteriológicas delagua que será utilizada para el uso previamente estimado y acorde consus características se diseñara el sistema de potabilización que se

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amerite. Por lo que se tomarán muestras representativas del agua enestudio y se analizaran parámetros tales como: demanda química (DQO)y bioquímica de oxigeno (DBO), sólidos suspendidos, entre otras que serequieran según su uso.

Las aguas vertidas a la fuente, aguas arriba del sitio de captación,deben ser verificadas en cuanto a: el tipo de disposición de aguasresiduales de las poblaciones, población animal y presencia de industriasque puedan contaminar el agua. Además de registros sanitarios donde seconozcan las estadísticas de las enfermedades de origen hídricocomúnmente registradas en la zona, ocurrencia o no de epidemias.

Estudios de las obras existentes

Se trate o no de una ampliación, el estudio de la influencia oimpacto de la obra nueva y las ya existentes es importante. En fuentessuperficiales las obras o sistemas de abastecimiento, captación oregulación construidas aguas abajo son susceptibles a los cambioshidráulicos que afecten a la fuente. Por ello se deberá realizar un estudioque puede incluir información hidráulica, geológica y toda la que seamerite importante que pueda influir en el funcionamiento de la obraexistente. En muchos de los casos el caudal aprovechable es limitado porlos requerimientos de caudal en la misma cuenca pero en diferentespartes de esta.

Estudios de impacto ambiental

El impacto ambiental de una obra de captación de agua esinminente, por lo tanto un buen estudio de la influencia ambiental de laobra es imprescindible para poder reducir el daño.

Como se sabe, en embalses es retenido gran cantidad desedimento que serviría de alimento para las especies aguas abajo, secorta la comunicación de especies en el rió donde se sitúa la presa, laflora que queda sumergida se descompone lentamente, dependiendo dela explotación y regulación del efluente podría reducirse el caudalecológico del rió, etc.

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Ciclo hidrológico

El agua en la naturaleza se presenta en los estados líquido, sólidoy gaseoso. El paso del agua a través de dichos estados, en la naturaleza,es lo que se denomina el ciclo hidrológico.

El agua en estado gaseoso se encuentra en la atmósfera a todos loniveles o cotas, tanto en el aire que nos rodea como en los acumuladosen los niveles superiores e intermedios de la atmósfera, formandoacumulaciones visibles llamadas nubes o niebla. El agua en estado sólidose presenta en la naturaleza de dos maneras, en precipitaciones bien seaen forma de nieve o granizo, y en capas de hielo en glaciares, etc.

El agua en estado liquido es la forma mas abundante en la que sepresenta y puede encontrarse en el mar, ríos, lagos y pozos.

La transformación (cambios de fase) del agua de un estado a otrose realiza espontáneamente como consecuencia de los fenómenosfísicos.

Precisamente los cambios de fase son los determinantes delmovimiento del agua y la emergía solar junto con las fuerzas gravitatoriaslos responsables de dichos cambios.

Por tratarse de un ciclo no tiene principio ni fin, sin embargo, elciclo hidrológico lo podríamos comenzar en la atmósfera, el agua enestado gaseoso en forma de vapor de agua, al condensarse pasaría a lafase líquida o sólida según las condiciones, precipitando una parte sobrelas aguas oceánicas y continentales y el resto en la superficie del terreno.De toda el agua que precipita una parte de ésta pasaría nuevamente alestado gaseoso por medio de la evaporación, otra parte circularía por losríos uniéndose a la escorrentía superficial y el resto se infiltraría en elterreno.

Simultáneamente a esta misma agua que precipitó le suceden unaserie de fenómenos que se describen a continuación: Por un lado el aguaque circula por los ríos no escapa a la evaporación en su trayectoria,también puede infiltrar al suelo uniéndose con mas agua que en sucamino, puede ser interceptada por la vegetación, así como ser retenidaen depresiones del suelo. Dicha agua junto con una porción del agua quese infiltra es retenida por la vegetación y luego sufriría el fenómeno de laevapotranspiración. Se dice que mas de la mitad del agua que infiltra esretenida en el suelo hasta que se devuelve a la atmósfera por

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evapotranspiración, el resto del agua percolará y se moverá o almacenarácomo agua subterránea.

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4.2. Captación de aguas superficiales

Embalses

La fuente superficial de agua en lo posible debe satisfacer lademanda a lo largo del año así como de satisfacer otros requisitosadicionales como producción hidroeléctrica y prevención de inundaciones.Para lograrlo es necesario interponer una barrera artificial, llamada Presao Dique, en un sitio adecuado en el curso del río que permita retener yregular el agua a los límites deseados para los fines de diseño. A la masa

de agua retenida por lapresa se le denominaEmbalse. Los embalsesdeben ser capaces dealmacenar en la época delluvia agua suficiente paracompensar el déficit quese producen en épocas desequía y adicionalmentealmacenar agua de añosde producción pluvialabundante.

Tipos de Embalses

Se pueden clasificar según su función principal en:

• Almacenaje de Conservación: Tiene como objetivo retener el aguaexcedente de los días lluviosos para disponer de este en épocasde insuficiente caudal para satisfacer las demandas, bien sea, deriego, abastecimiento domestico e industrial, y producción deenergía.

• Almacenaje para control de inundaciones: en este caso elalmacenamiento no es aprovechado para consumo, sino que elagua producto de crecidas es retenida para su descargaregularizada.

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• Almacenamiento Mixto: el embalse en este caso permite regularizarlas aguas para satisfacer la demanda y adicionalmente regular lascrecidas.

4.2.1 Presas

Como se dijo anteriormente la presa es la obra civil de intercepciónde un río, la cual crea un tapón en la cavidad geológica permitiendo que elagua se acumule y regule según se desee.

Una presa es una estructura que tiene por objeto contener el aguaen un cauce natural con dos fines, alternativos o simultáneos, según loscasos:

- Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conducción(creación de altura).

- Formar un depósito que retenga los excedentes para suministrar unsuplemento en los períodos de escasez (creación de embalse) opara amortiguar (laminar) las puntas de las crecidas.

4.2.2 Tipología de presas

Con la mención de cada tipo se acompaña la sigla normalizada porla ICOLD (International Commision on Large Dams), formada por dosletras, iniciales en francés e inglés del tipo.

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Tierra (TE)Escollera (ER)Gravedad (PG)Contrafuertes (CB)Bóvedas múltiples (MV)Bóveda (Arco) (VA)Móviles (BM)

Los diversos tipos de presas responden a las variadas formas decumplir la doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuar loscaudales sobrantes. Adicionalmente se debe adaptar el proyecto a otrascaracterísticas particulares de cada obra, para así dar una serie decondicionantes que llevan a la elección del tipo más adecuado.

De allí las siguientes condiciones para la clasificación:

1- En cuanto a la situación del aliviadero, éste puede estar:

- Sobre la misma presa (presas vertedero).

- Independiente de ella.

2- Respecto a la forma de resistir los esfuerzos externos e internos(hidrostático, supresión etc.), las presas pueden ser:

- De gravedad

- En arco.

3- Las presas de gravedad pueden ser, a su vez:

- Macizas

- Aligeradas.

4- En atención al material empleado, las presas pueden ser:

- De fábrica (hormigón)

- De materiales sueltos.

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Presas de Arco (MV y VA)

Las presas de arco son presas curvas que transmiten horizontalmentesobre los estribos la mayor parte de las cargas, que sobre ellas actúan. Elmaterial empleado en su construcción es el hormigón ciclópeo armado.Las características principales que clasifican estas presas son: curvatura(interiores y exteriores) simetría con relación a la corona de la presa y conrespecto a los espesores adoptados para ellas.

Clasificándolas en:

Presas en arco de espesor constante o variable.

Presas en arco, simétricas o no simétricas.

Presas en arco, simples o compuestas.

Presas en arco de radio constante o variable.

Las presas de arco de radio constante tienen generalmente su carainterna vertical; las presas de gran elevación tienden a incrementar elradio de curvatura de la cara exterior inferior. Usualmente a la cara internale decrece su radio a medida que la profundidad aumenta, con el objetode absorber mejor los incrementos de presión hidrostática, ya que talarreglo aumenta el espesor del arco.

En las presas de radio variable, las curvaturas internas y externastienen radio decreciente a medida que aumenta la profundidad por debajode la cresta.

Un paso más rotundo en el empleo de una mejor forma resistentelleva a utilizar el arco. Esta es la forma resistente por excelencia, pues nosólo resulta muy adecuada para las cargas, sino que además, se adapta aresistir una gran variedad de cargas, lo que garantiza la seguridad anteeventuales imprevistos. Además la economía de volumen puede sernotable y muy superior a la de las presas de contrafuertes.

La forma en arco exige unas determinadas condicionestopográficas y geológicas de la cerrada, que limitan su empleo.

Hay un tipo intermedio entre las presas arco y las de gravedadllamado arco gravedad. Estas presas tienen menor curvatura, por lo quees insuficiente para resistir el empuje por sí sola, y hay que dar a la presaun cierto peso para complementar ese defecto.

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Un tipo mixto es el de bóvedas múltiples, formado por una serie decontrafuertes equidistantes de sección rectangular y unas bóvedas queapoyan sobre ellos. Estas son las que reciben el empuje y lo transmiten alos contrafuertes, que han de resistir el empuje total entre dos de ellos.Las bóvedas, al tener luces uniformes, pueden simplificarse en sus formasy encofrados. Este tipo viene a ser análogo al de contrafuertes,sustituyendo la pantalla o las cabezas entre éstos por bóvedas, quepermiten mayor separación y menor volumen. Pero la ligereza excesivano siempre es más barata y puede ser perjudicial, por lo que este tipo espoco frecuente.

Presas de gravedad (PG y CB )

Presas macizas suelen consistir en un perfil triangular con sumade taludes del orden de 0,75 a 0,80 (horizontal/altura) y algo más enterrenos difíciles o de alta sismicidad, pero raramente superior a 0,95. Altriángulo se le superpone un trapecio, para el paso de coronación y paradejar un resguardo sobre el nivel máximo del embalse.

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Las aligeradas pretenden emplear mejor el material, lo que parececontradictorio con la necesidad de tener un peso estabilizador. Paraequilibrar el peso que se quita con el aligeramiento, se le da un taludaguas arriba para disponer del peso adicional del prisma de agua quegravita sobre él. Además, se distribuye la masa de hormigón de forma quese logre un mayor momento de inercia en la sección horizontal.

Los aligeramientos pueden ser de varios tipos: verticales ytransversales a ala coronación, que convierten a las seccioneshorizontales en T o doble T (contrafuerte, las mas usuales); u horizontalesy paralelas a la coronación, en forma de una o mas galerías de ciertotamaño.

Presas de materiales sueltos (ER y TE)

Estas presas, muy usadas en tiempos pasados, se mantienen aunen el presente gracias a la mecánica de suelos, que ha encontrado lascausas por las cuales muchas de ellas han fallado. Los materiales usadosson de todo tipo de detritus y materiales de desintegración de rocasnaturales. Por esta razón es importante conocer la geología de la zonapara determinar los tipos y volúmenes de tierra que pueden usarse en laconstrucción de la presa.

Las presas de materiales sueltos son de varios tipos formadosexclusiva o preferentemente por materiales naturales: piedras, gravas,arenas, limos, arcillas y suelos en general. Cuando el materialpredominante (>50%) es la piedra gruesa se denominan presas de

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escollera, y cuando más del 50% de los materiales son térreos omezclados con gravas o arenas, se denominan presas o diques detierras. En general, la denominación genérica es más apropiada, puestoque estas presas suelen estar formadas por varios materiales, cada unocon una función específica, por lo que no se pueden llamar propiamentede tierra o escollera.

Estas presas generalmente son más económicas, pero debetenerse la precaución de que las estructuras de toma, drenaje y rebosedeben alejarse suficientemente del pie de la presa para evitar futurassocavaciones.

En el diseño de estas presas es necesario considerar:

Un estudio que analice la porosidad y permeabilidad del material dela presa (en fundaciones y terraplenes).

La estabilidad de las fundaciones

Cálculos de estabilidad de los terraplenes

Borde libre contra acción de las ondas

Protección para las pendientes adoptadas

Las presas de tierra están constituidas por una parte centrales dematerial impermeable y una cubierta exterior de estabilidad, de materialmas o menos permeable. Una vez clasificado el tipo de fundación y

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sellados los sectores porosos con curas especiales de cemento,bentonita, etc. Se procede a diseñar el cuñero (en caso de asentamientoen roca firme) o el terraplén impermeable o corazón de la presa. Acontinuación se prosigue con los terraplenes de conservación,generalmente construidos con arena o grava. Para reducir lapermeabilidad se acostumbra a recubrirlos con materiales impermeables,tales como cemento, arcilla, material bituminoso, geotextiles etc. Cuandono existe material impermeable en las cercanías de la presa, se puedeconstruir un corazón de concreto u otro material similar.

Los materiales de estas presas se emplean casi tal y como seencuentran en la naturaleza, sin más elaboración artificial que unaelemental clasificación y un apisonado. Esta simplicidad de empleo, juntocon la actual disponibilidad de potentes medios de transporte ycompactación, hace que resulten en principio más económicas que las dehormigón; como además son más adaptables a todo tipo de terrenos, noes de extrañar que más de cuatro presas de cada cinco sean demateriales sueltos.

La principal desventaja es el vertido del agua sobre ellas, llevaría alarrastre y erosión de los materiales, indefensos por su falta de cohesión.Por ello, los caudales excedentes se vierten por un órgano aparte(aliviadero).

Atendiendo a la clase y posición del material impermeabilizante sedan los siguientes tipos:

Presas de material uniforme impermeable, o presas homogéneas.Son como las de gravedad de hormigón, en el sentido de que el materialresistente es también impermeable. Estas presas son minoritarias por dosrazones: porque es menos frecuente encontrar el material adecuado, yporque plantean problemas de estabilidad en cuanto su altura supera los15 ó 20 m, y precisan entonces un material drenante complementario. Poreso suelen limitarse a alturas moderadas, aunque hay algunas quesuperan los 100 m.

Como el material es uniforme, ha de ser de baja permeabilidad:arcillas o limos, o mezcla de arenas o gravas con alta proporción de finos.En consecuencia, los taludes son bastante tendidos; de 2 H/1 V a 4 H/1 V,según el material

Presas de materiales heterogéneos. Son las más frecuentes, ytienen la ventaja de emplear óptimamente los materiales próximosdisponibles, distribuyéndolos según sus características. Los materiales

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más permeables se usan como elementos estabilizadores, por su peso;los más finos se usan para lograr un núcleo impermeable; otros se utilizancomo elementos drenantes o para establecer capas de transición (filtros).

El núcleo impermeable suele estar en el centro, en posición verticalo cercana a ella. En otras ocasiones se sitúa inclinado y aguas arriba.

Presas con pantalla o diafragma. Cuando no se encuentra cerca dela presa un material impermeable natural (arcillas o limos) hay que acudira una pantalla artificial impermeabilizadora que se coloca sobre el taludaguas arriba o en el centro del dique (diafragma).

AliviaderoTipos de aliviaderos

Aparte de los cuatro tipos genéricos que resultan de la posición, losaliviaderos pueden ser de tres tipos según su régimen hidráulico:- En lámina libre.- En presión.- Mixto (un tramo en presión y otro libre).

La mayor parte de los aliviaderos funcionan en régimen libre. Losaliviaderos con conducción totalmente en presión son minoritarios ynormalmente necesitan otro complementario, para salvar la rigidez que dael régimen en presión. El régimen mixto suele consistir en un tramo enpresión aguas arriba y libre en el resto.

Constitución de un aliviadero

Ya sea en una u otra posición, un aliviadero constafundamentalmente de tres partes o tramos sucesivos en el sentido delmovimiento del agua:

- Una embocadura o toma de agua.

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- Una conducción (también llamada rápida cuando es en lámina libre)

- El reintegro al cauce.

Las embocaduras pueden ser, teniendo en cuenta su posición y régimenhidráulico:

- Superficiales, en régimen libre (la mayoría).

- Sumergidas, en régimen en presión

En cuanto a la posibilidad de control de los caudales, la toma,botadera o vertedero (que son los elementos donde tal control puedehacerse) pueden ser:

- Con vertedero de labio fijo (vertido natural automático, sin controlvoluntario).

- Con compuertas (vertido controlado)

El reintegro al río puede ser de dos tipos genéricos:

- Trampolín lanzador (más usado en aliviaderos independientes)

- Cuenco amortiguador (usado normalmente al pie de una presavertedero).

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Los trampolines lanzan el agua a distancia, para alejar la zona decaída y por consiguiente erosión. En los cuencos amortiguadores seutiliza el resalto hidráulico para absorber parte de la energía de lacorriente.

4.2.3 Diseño de la presa

En el presente capitulo solo se pretende realizar un esquema delas principales consideraciones de diseño de un sistema de captaciónsuperficial y sus características.

Estudios previos

Como toda obra de captación de agua debe ser necesario unamplio estudio previo, sobretodo a nivel hidrológico y geológico, sinrestarle importancia a los demás estudios nombrados al comienzo delpresente capitulo.

Estudio Hidrológico

Una vez ubicado el sitio de la presa y conociéndose laconfiguración y características topográficas de la cuenca, se podrándeterminar las secciones horizontales del embalse por medio deplanímetros u otros instrumentos, y así determinar los volúmenes de aguaembalsadas según la altura. Con estos datos se podrán construirentonces las llamadas curvas de área-elevación y volumen-elevación ehidrógrafos.

Entre los datos de estudios previos que se tienen, esta uno muyimportante, llamado régimen de escorrentía superficial, el cual permiteconocer cuantitativamente los caudales en el tiempo. Todo el conjunto dedatos esta mostrado en un gráfico, que nos permite estudiar lasvariaciones del caudal. La grafica siguiente, presenta la variación delcaudal a lo largo de un año, por lo general el tiempo se presenta en días omeses y el caudal en m3/seg.

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La Sedimentación en el embalse

Los sólidos que aporta el agua son de dos tipos fundamentales: losde mayor tamaño son arrastrados por el fondo; los más finos quedan ensuspensión, mantenidos por la turbulencia. Al entrar en el embalse poruna de sus colas, la corriente se encuentra con profundidades ysecciones crecientes y sufre un frenado progresivo hasta quedar con unavelocidad prácticamente inapreciable (con caudales normales). Al irdisminuyendo la energía cinética, los sólidos del fondo son los primerosque se detienen, al no poder vencer el rozamiento, y quedan depositadosen las colas del embalse; los que están en suspensión, al faltarles lacomponente ascensional de la turbulencia, van cayendo lentamente,todavía mantenidos por las tensiones capilares, primero los granos máspesados, y al final, los más finos. Estos últimos, gracias a su mayorsuperficie relativa, caen muy lentamente, incluso bastante dentro delembalse: sobre todo, cuando se produce una crecida, el agua lleva muchomaterial en suspensión, y como el caudal es elevado, la velocidad puedeser suficiente para que los finos lleguen a la misma presa, a cuyo piepuede formarse un depósito; otros finos pueden ser evacuados por elaliviadero. El resultado conjunto de todo este proceso es un progresivolevantamiento del fondo, comenzando por las colas y avanzando hacia lapresa, a cuyo pie puede llegar a formarse un depósito muy fino que, de noser movido por los desagües de fondo, se va consolidando con el tiempogracias al peso y a la saturación de agua.

Los medios de control de la sedimentación en embalses de quepodemos disponer hoy día son, en resumen, los siguientes:

a) Minimizar la entrada de sedimentos en el embalse mediante:

- Programas de conservación de suelo y agua.

- Retención de sedimentos aguas arriba (presas de retención o cortinasde vegetación).

- Trasvase de las concentraciones altas de sedimentos.

b) Minimizar el depósito de sedimentos en el embalse mediante:

- Desagües rápidos: pasando las crecidas cargadas de sedimentos através del embalse, bajando el nivel del agua.

- Evacuación de las corrientes de turbiedad.

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c) Retirar los depósitos acumulados de sedimentos mediante:

- Limpieza a través de los desagües.

- Excavación por dragado o con equipos convencionales mecánicos.

d) Asumiendo la sedimentación del embalse, compensándolo al:

- Mantener la capacidad a largo plazo, recreciendo la presa.

- Abandonar el embalse relleno, construyendo nuevos embalses otransvasando el agua a otra parte del sistema hidráulico.

La Presa Como Estructura

Como veremos la magnitud del empuje hidrostático es de grancantidad y muy superior a las sobrecargas que soportan otrasconstrucciones (puentes, edificios, etc.), lo que hace a la presa unaestructura de especial exigencia resistente.

Otra particularidad del agua como sobrecarga es que no sóloempuja, sino que penetra por cualquier intersticio, lo que se traduce nosólo en problemas de impermeabilidad, sino incluso en presiones internasque dan lugar a otras sobrecargas de gran intensidad ydesfavorablemente situadas.

Las solicitaciones que actúan sobre una presa son las siguientes:

1) Peso propio.

2) Empuje hidrostático.

3) Presión intersticial y subpresión.

4) Efectos térmicos.

5) Seísmos.

6) Empuje de sedimentos.

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7) Oleaje.

8) Empuje del hielo.

Las cinco primeros son destacadamente las de mayor importanciay las que más influyen en las dimensiones y seguridad de la presa; lasotras tres son de efecto muy secundario, en general. A todas ellas hayque añadir la reacciones del terreno, que han de equilibrarlas.

1- Peso Propio

El peso depende de la forma y dimensiones de la presa y del pesoespecífico de los materiales. La forma y dimensiones se definen en elproyecto, pero la profundidad de cimentación puede variar al hacer laobra, y con ella el peso propio. En cuanto al otro componente (pesoespecífico) hay que distinguir si se trata de hormigón o de materialessueltos.

2- Empuje Hidrostático

Es la fuerza activa fundamental en una presa. En una seccióntransversal a ella tiene dos componentes, horizontal (H) y vertical (V),siendo la primera la más importante en las presas de hormigón, y lasegunda en las de materiales sueltos, en general.

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El empuje del agua está siempre bien definido por condicionesgeométricas muy simples, que se exponen en la gráfica.

La presión del agua sobre una superficie es normal a ella, y suefecto equivale al peso de la columna líquida de sección unidad quegravita sobre cada punto. La componente H es la misma quetendría la presa si tuviera un paramento vertical, y su ley es triangular, conresultante situada a las 2/3 de la profundidad total; por tanto, una presatiene siempre el mismo empuje horizontal cualquiera que sea la forma desu paramento. La componente vertical V es el peso del prisma de aguaque gravita sobre el paramento.

El máximo efecto del empuje hidrostático se da, evidentemente,para el nivel máximo del embalse, y por ello habrá que evaluarlo para elmáximo nivel normal de explotación (NMN) y para los máximos encrecidas (NAP y NAE, que se definen después).

La sección transversal de una presa de gravedad consistefundamentalmente en un triángulo rematado por un trapecio menor quesirve de coronación y para el paso de peatones o vehículos.

El vértice del triángulo suele coincidir con el nivel para la avenidade proyecto (NAP), para asegurar la estabilidad en el caso másdesfavorable. De esta forma, el nivel máximo normal de explotación(NMN) queda por debajo del vértice, con menor empuje hidrostático. Enalgunas presas, sin embargo, el vértice puede quedar a un nivel inferior alde crecidas (pero nunca inferior al normal) con tal de que se compruebepara aquel nivel.

3- Filtración. Presión Intersticial

Al estar la presa en inmediato contacto con el agua del embalse,ésta se filtra a través de sus huecos, grietas y poros, y comoconsecuencia se producen los siguientes efectos:

- Una pérdida de agua por filtración.

- Un posible arrastre de material fino por el agua filtrada.

- Unas presiones hidrostáticas en el interior de la presa que se añadenal sistema tensional debido a las fuerzas exteriores.

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Estos efectos son más marcados en las presas de materialessueltos, pero también se dan en las de hormigón, aunque con otrasmodalidades. El primero sería solamente económico si no llevara consigoel segundo, que es de fundamental importancia en las presas demateriales sueltos, por el peligro de desintegración interna progresiva. Encuanto a las presiones internas, son mecánicamente desestabilizadoras,porque sus componentes verticales hacia arriba se oponen al peso.

Cuando el agua filtra a través de un dique permeable, se forma ensu interior una red ortogonal de líneas: las de corriente, que marcan lastrayectorias de las partículas de agua, y las equipotenciales. El paso de lalínea de corriente de una equipotencial a la siguiente señala la pérdida decarga producida en el recorrido por el rozamiento con las partículassólidas. La línea de corriente superior es la línea de saturación; pordebajo de ella todo el dique está sometido a presiones intersticiales; sobreella no hay corriente, ni agua.

En las presas pequeñas o medias se siguen usando las galerías dedimensiones reducidas, así como en las bóvedas, por su menor espesor;en estas últimas pueden ser indicadas las formas ovales, que distorsionanmenos las tensiones. En las mayores hay tendencia hacia las formasrectas, más simples, incluso sin bóveda, armando el dintel y, a veces,toda la sección.

Los drenes se insertan en las galerías en su pared aguas arriba,normalmente, pero algunos prefieren hacerlo en clave. Así se ven y selimpian mejor, pero suelen ser más molestos, porque el agua cae sobrelos vigilantes; este inconveniente se puede paliar con una manguera otubo que la desvía.

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4- Efectos térmicos y de fraguado

Estos efectos sólo afectan a las presas de hormigón. El segundo,por razones obvias, y el primero porque los cambios de volumen debidosa las variaciones de temperatura no operan más que en estructuras cuyadilatación o contracción está coaccionada. La deformabilidad y la baja onula cohesión de las presas de materiales sueltos minimizan o anulanesos efectos; y por otra parte, sus grandes espesores y la bajatransmisibilidad térmica amortiguan considerablemente la penetración delas variaciones de la temperatura ambiental al interior de la presa.

5- Seísmos

Las acciones analizadas hasta ahora actúan sobre todas las presasde forma continua, variable o con cierta periodicidad, aunque enocasiones (como la temperatura en presas de materiales sueltos) nocausen efectos apreciables. Las solicitaciones que vamos a considerarahora sólo se dan en ciertos lugares (sismos, hielo), etc. Y, salvo lossismos, sus efectos son generalmente de poca importancia frente a lassolicitaciones estudiadas hasta aquí.

Un movimiento sísmico produce tres efectos en la presa:

- La oscilación del terreno de apoyo se transmite a la base yestribos de la presa y produce en ella unas tensionessuplementarias.

- Los desplazamientos de la presa por este motivo actúan sobre elagua del embalse lo que, por reacción, da lugar a un empujesuplementario sobre el paramento.

- Aumento de la presión intersticial en suelos saturados.Aparte de estos efectos, el seísmo podría provocar directamente

una onda en el mismo embalse, con el consiguiente impacto sobre lapresa e, incluso, eventual desbordamiento sobre ella. Sin embargo, esteefecto no suele considerarse, salvo en zonas donde se presuma comoprobable, y entonces es necesario hacer un estudio particular. Laoscilación equivale a una fuerza aplicada al centro de gravedad de lapresa con componente horizontal equivalente al peso por un coeficiente β,y vertical mitad de la horizontal y aplicada a mismo punto, y dirigida haciaarriba en el efecto más desfavorable. Esas dos componentes equivalen a

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aumentar el empuje hidrostático y disminuir el peso (levitación), conefectos mutuos desestabilizantes. Para seísmos medios 0,05 ≤ β ≤ 0,10.

Aparte de estos fenómenos naturales, la misma presa puedeprovocar micro sismos o incluso movimientos más sensibles, porque elagua del embalse, con su peso, altera el estado de cargas del terreno.Esto se ha observado en embalses de cierta entidad, por encima de 100m de profundidad y cierta extensión.

6- Empuje de sedimentos

Al quedar remansada el agua en el embalse, los sólidos que llevaen suspensión se van depositando lentamente en el fondo. Al cabo deltiempo (en general, varios años) el depósito formado al pie de la presapuede alcanzar en algunos casos cierta importancia, y dar un empuje quese suma al del agua. Dado que ese efecto se concentra en la parte baja,su magnitud y momento son bastante menores que los hidrostáticos.

Para estimar el empuje de los sedimentos sobre la presa no sonadecuadas las fórmulas del empuje sobre un muro, porque parten delsupuesto de que éste se desplaza bajo su acción, mientras que una presaes muy rígida, por lo que el empuje real puede ser mayor.

El empuje activo de los sedimentos sobre el paramento puedecalcularse según una ley triangular de la presión Ps:

Ps = γ · hs · Ka

Siendo γ el peso específico del material –sin agua, pues ésta yaviene incluida en el empuje hidrostático-, hs la altura del sedimento sobreel punto considerado (m) y Ka un coeficiente que depende de laconstitución del sedimento.

7- Oleaje

El viento, al actuar con cierta intensidad y continuidad sobre lasuperficie del embalse, produce olas de mayor o menor altura, queimpactan sobre el paramento. Además, si la altura de la ola fuerasuficiente, podría sobrepasar el nivel de coronación y verter sobre lapresa, lo que sería grave en el caso de presas de materiales sueltos.

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Este último suele ser el principal efecto a tener en cuenta, pues losempujes dinámicos son en general de menor entidad. Para evitar eleventual vertido, la coronación se sitúa a una cierta altura o resguardosobre el nivel máximo previsible del embalse en crecidas, pues duranteéstas son frecuentes los vientos fuertes y persistentes. Para evitar lossalpicones de las olas, se coloca en algunas presas un murete protectoren el lado aguas arriba de la coronación.

8- Empuje Del Hielo

Al solidificarse el agua aumenta su volumen un 10 %. Si en elembalse llega a formarse una capa continua entre la presa y las orillas, ladilatación coaccionada por éstas dará un empuje sobre la presa. Si elespesor no es suficiente, la compresión producirá el pandeo de la capa yno habrá empuje sobre la presa.

La consideración de este empuje puede limitarse a los casos enque sea previsible la formación de una capa de más de 20 cm de espesory –se sobre entiende- continua, no en bloques aislados, que no empujan.En caso positivo se tomará una presión horizontal equivalente a 10 t/m2(1 kg/cm2) sobre la proyección vertical del área de contacto del hielo conel paramento. Cuando éste sea muy tendido, o las laderas próximas a lapresa tengan pendientes moderadas, se podrá aplicar un coeficiente dereducción, puesto que el hielo podrá deslizar en el contacto y reducir suempuje.

Condiciones de asiento de la presa y del embalse

Las condiciones que deben cumplir el terreno de asiento de lapresa y el del embalse son las siguientes:

- El cimiento y los estribos de la presa deben ser capaces de resistir lascargas transmitidas por ésta.

- El terreno cubierto por el embalse ha de ser impermeable. Como estacualidad no es absoluta, debe entenderse en el sentido de que laseventuales pérdidas de agua queden limitadas a una cantidad queno perjudique el almacenamiento ni produzca presionesintersticiales peligrosas para la resistencia o estabilidad delembalse o de la presa.

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Consideraciones de diseño en presas de materiales sueltos

Los taludes son bastante tendidos: del orden de 1,5 a 2,0(horizontal/vertical) en escollera, y 2,5 a 5,0 (o más) en tierras. El mayorvolumen respecto a las de hormigón viene compensado por la granfacilidad de obtención y colocación del material, por lo que con frecuenciaresultan más económicas que las de fábrica.

En cuanto al aliviadero, las presas de materiales sueltos lo tienenaparte, en principio, debido a la debilidad de los materiales, que no soncapaces de resistir la acción erosiva del agua en movimiento.

Obras Auxiliares en Embalses

Principalmente las obras auxiliares o complementarias enembalses son de descarga o de tomas. Las estructuras de salidas son lasque nos permiten controlar el flujo y volumen del agua, mientras que, lasobras de toma permiten obtener el caudal para abastecimiento o riego y ala vez puede permitir controlar también los niveles de agua.

4.2.4 Desagües-Aliviadero

El aliviadero es la obra más propiamente hidráulica de la presa.Ésta, más que hidráulica, podríamos decir que es hidrostática, pues sufunción estructural respecto al agua es pasiva, de resistencia. El aliviaderoes hidráulico en el sentido más puro y amplio, pues su misión es derivar ytransportar el agua sobrante y amortiguar su energía al reintegrarla alcauce para evitar perjuicios a la propia presa y a los bienes y personasaguas abajo. En los aliviaderos se presentan todos los problemas de lahidráulica y con la máxima intensidad, por lo que son quizá las obras máseminentemente hidráulicas.

La concepción y proyecto de los aliviaderos de una presa planteaestos problemas fundamentales:

Evaluación de la avenida máxima previsible

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Características del conjunto embalse-aliviadero-cauce aguasabajo más adecuadas para hacer frente a dicha crecida yotras más frecuentes

Reparto de caudales a evacuar entre los distintosaliviaderos: de superficie, de fondo y profundos (si es elcaso)

Tipo idóneo para cada uno de estos aliviaderos

Partes componentes de un aliviadero

La embocadura o toma de agua ha de tener la forma y dimensionesadecuadas para derivar el caudal de proyecto. Es la embocadura dondese plantea el problema de hallar una solución de compromiso para hacerfrente a crecidas catastróficas sin sobredimensionar en exceso elaliviadero.

La conducción o rápida cumple una función de mero transportedesde la embocadura a la obra de restitución al río. Para cumplir con lamáxima economía, se proyecta de manera que el agua lleve una elevadavelocidad. La consiguiente pérdida de carga no importa, e incluso esfavorable, puesto que la corriente tiene una gran cantidad de energía quehay que amortiguarla al final, por lo que la que se pierde en la conducciónse resta a la obra de restitución. Los problemas de la rápida provienen delas altas velocidades, cuya pérdida de energía consiguiente es a costa dela erosión del revestimiento.

La obra de restitución tiene una misión complementaria y contrariaa la toma: devolver al río el caudal derivado por ésta. Pero así como laembocadura el ingreso se hace en un régimen tranquilo la obra dereintegro recibe el agua de la conducción con gran velocidad y energíaque hay que amortiguar en lo posible para que no produzca erosionesperjudiciales al cauce y a la propia obra de restitución o, acaso, a lamisma presa.

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Aliviadero en lámina libre

En la figura se esquematiza el perfil axial de un aliviadero con suslíneas características de energía (estática y dinámica), nivel de agua ysolera. Se marcan también los tramos constituyentes comentados alprincipio del capítulo.

La embocadura está constituida por un vertedero que cumple unadoble función: fijar con su umbral el nivel de entrada al aliviadero y sucapacidad de desagüe según el nivel del embalse; y formar una seccióncrítica fija lo más próxima posible a éste. A continuación, sigue un tramoCB de fuerte pendiente (tramo de aceleración) que sirve para aumentarrápidamente la velocidad y alejarla de la crítica. Al final de este tramocomienza otro BD más o menos largo de sección constante (en general),que termina en un trampolín de lanzamiento del agua al río a ciertadistancia aguas debajo de la presa (DF). Este esquema es el másgeneral, pero puede tener variantes condicionadas por la topografía. A losefectos de funcionamiento hidráulico es indiferente de la conduccióndesde B a D sea un canal abierto o en túnel, siempre que se asegure laventilación para el mantenimiento de la superficie libre.

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En la figura, la altura entre las líneas de referencia (que se tomecoincidente con el nivel del río en G) y la línea de energía estática marcala energía que se disipaba en el cauce, antes de construirse la presa,entre la cola del embalse y el punto de restitución. Esa energía ha dedisiparse ahora a lo largo del aliviadero (por pérdida de carga) yprincipalmente en la zona G de restitución. La pérdida de carga vaacumulándose a lo largo del recorrido, y por eso la línea de energíaefectiva va descendiendo proporcionalmente a v2 por metro lineal.

En el tramo de aceleración la distancia entre las líneas de agua yde energía efectiva, que es v2/2g, va aumentando; en el tramo de secciónuniforme las líneas de energía efectiva, de agua y de solera son paralelas.

Al final está el trampolín DF que lanza el agua al cauce. Ahora,para completar la visión hidráulica del conjunto de aliviadero, se señalaque la sección F de lanzamiento queda una energía residual.

F1F0 = zF + yF + vf2/2g

En la que se incluye la de posición zF = F0F debida al desnivel delborde del trampolín sobre el cauce. Esa energía residual se devuelve aéste, y ha de consumirse en él causando erosiones hasta que la forma delcauce se estabiliza en una nueva posición, como se verá. Quede aquíconsignada su gran importancia, pues su magnitud es todavía unaproporción notable del desnivel total H (bastante más de la mitad, engeneral).

La energía devuelta al río puede aminorarse sustituyendo eltrampolín por un cuenco amortiguador, de lo cual se hablara masadelante.

Definición del perfil del aliviadero

Como se ha dicho, conviene que la velocidad en el tramo final seala mayor posible y que se alcance cuanto antes para minimizar lassecciones y el coste. El límite de velocidad alcanzable viene dado por laenergía cinética restante al final de la conducción D, que es:

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VD2/ 2g = H – DD0 – yD - ∆HD

H = desnivel bruto entre el embalse y el río, que es un datoindependiente de las dimensiones del aliviadero

DD0 = altura de la solera sobre el río del final de la conducción; esaaltura es necesaria para evitar el anegamiento del trampolín, así comopara favorecer la mayor distancia de caída del agua.

YD = altura de la lámina de agua

∆HD = pérdida de carga al final de la conducción.

Al empezar a proyectar sólo se conoce el caudal Q y el desniveltotal H; las otras magnitudes dependen de las secciones adoptadas através de formular hidráulicas, por lo que es preciso proceder por tanteos.

Se comienza por fijar DD0; del desnivel restante DD2 sólo una partede dD1 se convierte en velocidad. Empezando con un valor arbitrario (porejemplo dD1 = 0.7 DD2) se halla v = gdD2 y con esa velocidad sedetermina la sección (cuyas formas y proporciones habremos decididoantes por consideraciones hidráulicas y constructivas) y la pérdida decarga por metro lineal; multiplicándola por la longitud horizontal Ad, seobtiene la pérdida de carga total D1D2. En realidad, esto sólo seríacorrecto entre B y D, que tiene sección uniforme, pero en los primerostanteos puede admitirse que la pérdida media en el tramo inclinado CB(de sección variable) es la misma que en el resto, tomando la longitudhorizontal en vez de la inclinada, para compensar. La pérdida de cargaobtenida no coincidirá con la disponible D1D2; la desviación indicará enqué sentido hay que rectificar la sección, y así sucesivamente, hastaobtener un resultado aceptablemente concordante.

El resultado definitivo sólo se tendrá cuando hayan quedadodefinitivamente fijados el tramo de aceleración, la toma y la altura inicialdel trampolín DD0. Entonces se calcularán las pérdidas de carga y alturasde agua en el tramo variable; pueden tomarse en los puntos extremos (yotro intermedio, si fuera largo) e integrar ponderadamente. Para losprimeros tanteos puede emplearse la fórmula de Manning:

V = (R2/3I1/2)/n o I = (n2v2)/R4/3

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R = radio hidráulico (sección dividida por perímetro mojado)

I = Pérdida de carga (m/m)

n = coeficiente de rugosidad (debe tomarse para hormigón usado, entre0.013 (1/77) y 0.016 (1/62)

El tramo de régimen uniforme BD debería tener teóricamente unapendiente igual a la perdida de carga por m.l., pero en la práctica elcoeficiente de rugosidad no se conoce con precisión, por lo que convienetomar el valor mas alto de éste al objeto de que la diferencia, si la hubiere,lleve mas bien a acelerar la corriente y no lo contrario.

Aliviadero con vertedero lateral

En el tipo hasta ahora estudiado el agua ingresa en el aliviadero endirección longitudinal, pero hay otro en el que agua entra en direccionalnormal o casi normal al resto de la conducción.

En la figura se ve un esquema de la sección transversal delvertedero, que es variable en ancho y profundidad, como se deduce de laplanta y del perfil longitudinal. La esencia del movimiento es la siguiente:se forma un rodillo de eje horizontal que, unido al movimiento general dearrastre de la corriente hacia la conducción, produce un movimientohelicoidal que complica el problema hidráulico, exigiendo siempre, salvoen aliviaderos de poca importancia, un modelo reducido.

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Aliviaderos en presión

La mayoría de los aliviaderos son de lámina libre, sin embargoexisten también los aliviaderos que trabajan a presión. La figura es elesquema tipológico y de funcionamiento hidráulico de un aliviadero contoda su longitud en presión. En este caso, el teorema de Bernoulli da enuna sección cualquiera:

H - ∆H = v2/2g + p + d + z = h + z

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P es la presión sobre calve, d el diámetro o altura del túnel; p + des la presión sobre la solera; h la energía específica efectiva en lasección.

El aliviadero esta constituido por una cámara después delvertedero que permite hacer el paso de régimen libre al de presión; siguedespués una bocina que es equivalente al tramo de aceleración y el tramofinal de sección constante que desemboca en el trampolín.

Condiciones en la boca de salida y funcionamiento condistintos caudales (aliviadero a presión)

Si a la salida D del túnel no hay ningún obstáculo a la corriente, elagua tiene en clave la presión atmosférica, con un esquema defuncionamiento como el de la figura. En un trecho de cierta longitud DD1

lapresión del túnel será próxima a cero, lo que se opone a lo ya reiterado deque el régimen en presión debe ser bien definido, y si se precisa unatransición, debe ser rápida y en un tramo lo más corto posible. Latransición del régimen forzado al de lámina libre ha de ocurrir en D, perola prolongación de un régimen casi indeciso en una longitud DD1 esindeseable, pues puede dar lugar a oscilaciones de contacto y despeguede la lámina respecto a la clave.

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Para hacer rápida la transición puede hacerse una boquilla quehaga pasar la sección normal D a otra algo menor D0 en la misma salida,con lo que en D0 se tendrá la presión atmosférica, pero en D habrá unapresión P = (v0

2 – v2)/2g.

De esta manera se asegura una presión mínima p en todo el túnely a transición puede ser breve y reducida a la boquilla, que puede ser deunos pocos metros, pues con un estrechamiento moderado se obtieneuna presión suficiente.

Aliviadero en cáliz (morning glory)

El vertedero de entrada es de planta circular, normalmente de labiofijo, al que sigue un pozo vertical abocinado, un codo cercano a 90º y untúnel sub- horizontal.

El tramo vertical puede hacerse en pozo, en torre o mixto, según laforma y características de la ladera y la situación más conveniente para elvertedero. La disposición en pozo es la más simple, en principio, peropuede requerir adaptaciones en la ladera para asegurar la alimentación.

Tienen gran aplicación en las presas de materiales sueltos graciasa su independencia de ubicación respecto a la presa. La desventajaprincipal es la que acompaña al régimen a presión.

Estudios de las avenidas

El problema fundamental de un aliviadero es que la determinacióndel caudal máximo a evacuar, esencial para su proyecto e incluso para elde la propia presa, es la más incierta de las decisiones que han detomarse. Esta dificultad proviene de la propia índole del asunto. En un ríopuede conocerse con suficiente aproximación la avenida máxima ocurridaen un período contemporáneo.

La evaluación de la avenida máxima puede hacerse por lossiguientes métodos:

• Directos e históricos

• Probabilísticas

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• Empíricos

• Modelos de simulación hidrológica

Es preciso acudir a más de un método para tener una visión mascompleta, la coincidencia de uno con otro mejora la garantía de acierto.

Proceso decisorio de las características básicas del aliviaderoy del embalse

a) Avenidas de Proyecto y Extrema:

Se deciden según las metodologías probabilísticas

b) Reparto de caudales entre los desagües

Se tendrá en cuenta la colaboración de los desagüesprofundos en las avenidas. El resto estará a cargo del aliviadero

c) Tipo del aliviadero

Se decide de acuerdo con el tipo de presa, las condicionesde la cerrada y del cauce, y la magnitud de la avenida de proyecto.

d) Dimensiones de la embocadura

La decisión más importante es la elección entre labio fijo ocompuertas.

Fijado el desagüe máximo con el NMN, se decide la longitud totalde las compuertas, normalmente condicionado por la topografía dela cerrada y el enlace con el resto del aliviadero (si es aparte de lapresa) o el ancho del cauce (en una presa vertedero). Dentro de loslímites que permiten estas circunstancias, es aconsejable adoptarla máxima longitud de desagüe, para disminuir los niveles NAP yNAE y el debido a la eventual avería de una compuerta.

Fijada la longitud total, se decide el número de compuertas, paraque tengan la debida proporción longitud/altura (recomendable <2.0)

Si se decide un labio fijo, su longitud debe ser la máxima posible.

e) Embalse laminador: niveles y resguardos:

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Fijadas las dimensiones de las compuertas o del labio fijo, seensaya el funcionamiento conjunto aliviadero-embalse para lasavenidas de proyecto y extrema, y se hallan los niveles NAP yNAE, se definen los resguardos y se obtiene la cota de coronación.

f) Optimización aliviadero-embalse

Con frecuencia las dimensiones de la embocadura no quedanfijadas en la etapa c), sino que hay opciones. En este caso, elanálisis expuesto para la etapa d) debe aplicarse a cada variantecontemplada, y la decisión requiere un análisis de optimización

NMN = Nivel máximo normal

NAP = Nivel para avenida de proyecto

NAE = Nivel avenida extrema

Vertederos

El vertido sobre la presa puede hacerse de dos maneras: conlamina adherida al paramento, o con lamina despegada (caída libre olanzamiento).

Perfil del vertedero.

Este es del tipo que en Hidráulica se define como de pared gruesa.Los vertederos en pared delgada son muy delicados y sólo se usan enmedidas muy precisas de laboratorio o en aforadores de corto caudal.

En un vertedero de pared delgada la lámina se despegafrancamente y sus filetes superior e inferior están a la presión atmosférica.Luego un vertedero de hormigón que tenga un perfil coincidente con el delfilete inferior de la lámina despegada tendría presiones nulas en suparamento.

Pero la presión cero no conviene, en principio, porque cualquiervibración, onda o discontinuidad en la lámina puede traducirse en unavariación accidental de la presión y hacer que ésta oscile entre positiva ynegativa, lo que sería perjudicial para el hormigón. Por ello es preferible

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que la lámina quede adherida con una ligera presión sobre el paramento,para contrarrestar las depresiones accidentales.

Un perfil que cumple esas condiciones y está sancionado por laexperiencia de muchos años en la mayor parte de las presas del mundoes el debido a Creager, que se define en la figura. En ella puede verse elchorro teórico libre y el desplazamiento hacia agua abajo a que le obligael paramento para asegurar su adherencia. Los perfiles se definen porcoordenadas para una lámina de 1 m; para cualquier otra se multiplicanlas coordenadas por la relación con la lámina tipo.

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El desagüe sobre un vertedero corresponde a la fórmula:

Q = 2/3·√2g · KLh1’5

Siendo h la energía específica sobre el umbral (que incluye, portanto, la debida a la energía cinética), L la longitud útil del vertedero y Kun coeficiente que, para el perfil Creager, según la experiencia, es delorden de 0’71, con lo que C = 2√2g · K/3 = 2’1, resultando:

Q = 2’1 Lh1’5

El coeficiente C = 2’1 sólo vale para la lámpara nominal con la quese ha definido el perfil.

La longitud L es la útil de vertido, esto es, teniendo en cuenta lacontracción lateral que producen las pilas intermedias (si las hay) y loscajeros extremos. Si LT es la longitud bruta total (suma de los vanos), laútil L se obtiene así:

L = LT – 2(nK1 + K2)

n es el número de pilas, K1 su coeficiente de contracción, y K2 el delos cajeros, según las siguientes reglas:

Pilas con proas planas, redondeadas en un 10% del ancho en cadaesquina: K1 = 0’02

Pilas con proas circulares: K1 = 0’01

Pilas perfiladas (Jukovski): K1 = 0

Cajeros redondeados con radio entre 0’5z y 0’15z (z = altura de lalámina): K2 = 0’10

Cajeros con radios mayores y guías a 45º o menos con la direccióndel agua: K2 = 0

Para tanteos previos de dimensiones y desagüe puede tomarse lalongitud total con C = 2, para tener en cuenta la contracción.

Tomas de ExplotaciónLas tomas o boca tomas son las estructuras hidráulicas que nos

permiten retirar el agua del embalse para conducirla por gravedad a la

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planta de tratamiento o estación de bombeo, por lo tanto deben estarubicadas de forma tal que permitan obtener el agua a varios niveles en elembalse y que a su vez retiren el agua por gravedad hacia su destinopróximo y además asegurar su estabilidad y economía.

Por lo general para las presas de tierra y escolleras las tomas sontorres, llamadas torre-toma, que poseen orificios a diferentes niveles ycada uno tiene su correspondiente compuerta o válvula de paso. Su formapuede ser cilíndrica y en su interior contiene un pozo húmedo, que sirvepara la captación, y un pozo seco que sirve para la inspección yoperación. Las torre-tomas se localizan por lo general cerca del dique opresa y poseen un puente de acceso. En el caso de presas de hormigónlas estructuras de las tomas se localizan en la presa misma. Cada tomadebe estar equipada con una compuerta o con una válvula de cierre parasu selección e independencia y todos los orificios de toma debendescargar en un receptor común de donde el agua pueda ser conducidamas tarde al sitio de tratamiento o a los de almacenamiento y distribución.

Las presiones estáticas máximas a que están sometidas lascompuertas en los orificios deben ser determinadas con el objeto dedefinir si las compuertas serán o no de alta presión. En general cuandolas presiones exceden de 25 metros la compuerta se considera de altapresión. Las compuertas deslizantes, llaves de compuerta, etc. Utilizadascomúnmente no son adecuadas para soportar las altas presiones.

Para altas presiones existen diversos tipos diseñados para talefecto, entre los cuales están: compuertas de alta presión tipo Standar,compuertas de anillo seguidor, compuertas de cierre anular, las válvulasde globo tipo aguja, las válvulas de mariposa, las compuertas de rodillocon conductos forzados, etc. La utilización de cualquiera de esascompuertas depende de esencialmente al tipo de salida y de lascondiciones a las cuales estarán ellas sometidas.

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Desagües profundos.

Funciones de los desagües profundos.

En una presa puede haber desagües a distintas alturas, peroaparte de las tomas de explotación, que suelen ser intermedias, lo másfrecuente es que haya uno solo a gran profundidad, que se llama desagüede fondo. Este no suele faltar en ninguna presa, salvo muy escasasexcepciones, porque por su especial posición es insustituible. A veces seacompaña de otros a media altura que se llaman intermedios o de mediofondo, de mayor o menor capacidad, según los casos.

Se comprende que el cometido fundamental de los desagüesprofundos, por principio, es la capacidad de poder desaguar del embalsecon independencia del nivel de agua, para vaciarlo total o parcialmente,controlar su nivel o colaborar en la evacuación de sobrantes y avenidas.En resumen, las misiones de los desagües profundos, expuestas pororden de generalidad de uso, son las siguientes:

− Vaciado del embalse hasta la cota del desagüe y consiguientecontrol sobre el nivel de agua.

− Limpieza de los sedimentos acumulados en el fondo del embalseen la proximidad de la presa.

− Colaboración en el control del río en la última fase de laconstrucción

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− Desagüe y control previo de avenidas en conjunción con elaliviadero superficial o en exclusiva.

Consideraciones para fijar la posición de los desagüesprofundos.

Definidas las posiciones de las tomas y del desagüe de fondoqueda por decidir la conveniencia y posición de otros intermedios, lo quedepende, fundamentalmente, de tres circunstancias:

− La altura de la presa.

− Los caudales del río.

− La conveniencia de que los desagües profundos colaboren en laevacuación o control de avenidas.

Órganos de cierre

La tipología de los elementos hidromecánicos de cierre varíafundamentalmente con las dimensiones y sigue dos líneas fundamentalesque, a su vez, pueden desarrollarse según distintos tipos.

− Válvulas: El elemento de cierre forma una continuidad con elconducto en presión y se mueve en su interior.

− Compuertas: El órgano de cierre es exterior al conducto y seintroduce en él para cerrar.

Válvulas

Las válvulas son propias de desagües moderados o medios, y lascompuertas de los grandes. En algunos desagües puede haber unacompuerta de seguridad y dos o más válvulas de control, pero no al revés.

Las válvulas pueden ser de los siguientes tipos principales:

− De aguja.

− De mariposa.

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− De compuerta.

− De chorro hueco.

En la válvula de aguja el flujo envuelve un huso interior y sale porun orificio circular final; este orificio puede ser obturado en distinto gradopor medio de una aguja móvil que está unida al huso interior, de formaque en sus distintas posiciones siempre se conserva a un perfilhidrodinámico, lo que hace que el funcionamiento sea suave y ladistribución de la corriente uniforme. Por eso es muy útil para tomas,porque se presta al buen funcionamiento con toda clase de aperturas ycaudales. Su salida a la atmósfera se hace en forma de chorro circularconcentrado, pues el flujo anular es sólo en el interior y se reúne en lasección de salida. En cambio, el mecanismo es delicado e interior, lo quese presta a averías y es menos cómodo de revisión o reparación. Laexistencia de la aguja móvil en su interior la hace poco apta para undesagüe vaciador o limpiador pues es un obstáculo al paso de sólidos.

La válvula de mariposa es un cilindro prolongación del conductogenerado en cuyo interior gira una pieza circular de eje transversal a lacorriente llamada lenteja o mariposa que puede obturarla más o menos ensus distintas posiciones. Cuando éstas son inclinadas respecto al eje delconducto la lenteja distorsiona notablemente el flujo, a pesar de lo cualhay constructores que garantizan su funcionamiento así, y se han usado aveces para romper parte de la carga en estas posturas. Sin embargo, elmejor funcionamiento hidráulico lo tienen con la lenteja horizontal, paracuya posición la apertura es máxima y el flujo contornea el obstáculo confacilidad. Para asegurar el cierre la lenteja puede tener su eje ligeramentedescentrado, de forma que la acción de la corriente tienda a hacerla girarpara que cierre, o por medio de un contrapeso; por ello, para permanezcaabierta hay que mantener un pequeño esfuerzo mecánico. Por todo ellotampoco se usa ahora en desagües de vaciado, aunque sí en otra época.

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La válvula compuerta consiste en un tablero metálico circular orectangular (según la sección del desagüe) que puede subir o bajar deforma que en la primera posición desaparece totalmente del conducto yen la segunda lo aloja en una cámara cerrada unida al cuerpo fijo de laválvula, para que el conjunto resulte estanco.

El funcionamiento de esta válvula es de “todo o nada”, esto es,cierre o apertura totales. Sólo funciona con cierre parcial transitoriamentedurante esas operaciones. En realidad, esta válvula se presta a trabajarcon cierres parciales, pero con vibraciones; además ya se ha repetido quepara el vaciado debe tenerse una sección diáfana, y precisamente éste esuno de los atributos de esta válvula, que cuando está abierta forma unacompleta continuidad con el resto del conducto. Se puede usar tanto paracontrol como de reserva, por lo que algunos desagües la utilizan paraambos menesteres, instalando dos en serie en cada conducto, en lamisma cámara o caseta, o separadas.

La válvula de chorro hueco más usada consiste esencialmente enun cilindro fijo al final del conducto en presión en cuyo extremo y a ciertadistancia hay un cono unido a aquél, de forma que al chocar con el conola corriente pasa de circular a anular, contorneando éste. La corriente se

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regula por medio de un manguito cilíndrico móvil exterior al cilindro fijoque desliza paralelamente a su eje.

Compuertas

Las compuertas verticales son las más antiguas y elementales,aunque se siguen usando profusamente, con notables mejoras. El tipomás simple consiste en un tablero de chapa (los tableros de madera sólose usan en instalaciones muy pequeñas y simples) que es el elemento decierra propiamente dicho, reforzado por un armazón de perfiles metálicos,que se mueve verticalmente guiado por unas ranuras en las pilasadyacentes. Esas ranuras se refuerzan también con perfiles metálicos enU para que en su interior deslice mejor la compuerta y el hormigón quedeprotegido.

Las compuertas de segmento son cada vez más usadas, por losmismos motivos que las de superficie: suavidad de operación, al estarconcentrado el empuje en el eje de giro, gran rigidez unida a una mayorligereza estructural y ausencia de ranuras-guía. Esta última es una granventaja contra la cavitación que es muy fuerte por efecto de las grandesvelocidades.

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Se llaman más comúnmente compuertas Taintor, por el nombre desu inventor. Están formadas por un segmento cilíndrico circular que giraalrededor de su eje, materializado en las pilas adyacentes. La estructurametálica de soporte de la chapa se completa con unos radios que la unencon los cojinetes de giro en las pilas. La apertura se hace hacia arriba ygirando, en vez de deslizando.

Compuertas de sector. Estas compuertas, al contrario que lasanteriores, abren bajando, y el agua vierte por encima de ellas, por lo quenecesitan disponer de un hueco en la presa para alojarse. El tablero decierre es también cilíndrico, como en la Taintor, pero en vez de tener sucara aguas abajo al aire, ese espacio se cierra con otra chapa plana ocurva dispuesta para verter por encima. En la posición de cierre lacompuerta está en su posición más alta y fuera del hueco; en la deapertura parcial la compuerta baja y se introduce en parte en la cámara;en la apertura total la compuerta ocupa la totalidad de la cámara y suparte superior forma un perfil continuo con el general del vertedero.

Clapetas

Son compuertas basculantes alrededor de un eje en su parteinferior y vierten por arriba, como las de sector, sólo que el eje de giroestá aguas arriba en vez de aguas abajo, y en contacto con el agua, loque es un inconveniente. Igual que las de sector, precisan también unalojamiento horizontal para la compuerta abatida, aunque relativamente

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reducido, por ser estrechas. La estructura es también más simple que enlas de sector y son más ligeras; pero, a cambio, están sometidas, sincontraposición, al empuje horizontal y vertical del agua, este últimoadicional al peso, por lo que necesitan un contrapeso para equilibrarlo.Gracias a él pueden funcionar automáticamente; al subir el embalse,aumentan las dos componentes del empuje y la compuerta baja; al bajarel nivel y disminuir los empujes, el contrapeso predomina y al compuertasube. Es cada vez más frecuente el manejo de estas clavetas mediantemecanismos óleo-hidráulicos que se apoyan sobre su cara de aguasabajo.

Reintegro al cauce y disipadores de energíaEl caudal desviado por el embalse hay que reintegrarlo al río en un

cierto punto. Y como hay un desnivel entre ambos, la energíacorrespondiente ha de amortiguarse para evitar que produzca daños en ellugar de reinserción en el cauce aguas abajo. Esa energía, antes de hacerla presa, se disipaba linealmente a lo largo del cauce ocupado por elembalse; una vez hecho éste, concentra al final del aliviadero todo supotencial erosivo

Formas de disipación de la energía.

Las obras de reintegro al cauce responden a dos conceptos y obrasesencialmente distintos:

- La corriente en régimen rápido ingresa a un cuenco en el quepasa a lento con la formación de un resalto. Esto conlleva una

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gran absorción de energía, que se transforma en turbulencia ycalor.

- La corriente se lanza al cauce por medio de un trampolín deforma que caiga a cierta distancia de éste. La energía seamortigua en el propio cauce al formarse un resalto natural enun cuenco creado por la propia erosión en la zona de caída.

En uno y otro caso el amortiguamiento no es total, y la energíaremanente se va disipando de forma más o menos lineal en un tramoaguas abajo.

El cuenco amortiguador es la solución más común al pie de laspresas vertedero. El lanzamiento en trampolín es más propio de losaliviaderos separados de la presa. Pero estas reglas no son absolutas.

Resalto hidráulico

La mejor manera de amortiguar la energía es por medio del resaltohidráulico. En el se forman los remolinos, que conducen a una elevaciónde temperatura de temperatura del líquido y del nivel del agua.

Trampolines y dientes sumergidos

Los dientes sumergidos suelen ser muy eficaces para ayudar a laformación del resalto, acortar su longitud y, sobre todo, para darle

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estabilidad en los casos en que no está bien definido. Los dientesfraccionan la lámina uniforme del ancho total en varios chorros separados,unos pasando por encima de los dientes y otros entre ellos. Elfraccionamiento, la distinta inclinación de los chorros y el roce y choqueentre ellos disipan energía.

En el caso de los trampolines su esencia de funcionamiento esutilizar la energía cinética de la corriente para lanzarla a distancia y alejarla segura erosión. Por eso su elemento esencial es una rampa queproporciona un ángulo de lanzamiento adecuado para que la trayectoriaparabólica resultante de la inercia del agua y de la gravedad alcance lamáxima distancia entre el borde del lanzamiento y la zona de caída.

Fases de la construcción de una presa

Genéricamente cabe distinguir las siguientes actividadesprincipales en la construcción de una presa:

− Obras previas: accesos generales, poblados, líneas de suministroeléctrico, etc.

− Desvío del río.

− Excavaciones y cimientos.

− Montaje de instalaciones.

− Realización del cuerpo de la presa y de sus obras complementarias(desagües, aliviadero, central eléctrica, etc.).

− Cierre del desvío.

− Remates: desmontaje de instalaciones, coronación de la presa,iluminación, acondicionamiento del paisaje, etc.

La primera fase de actividades consiste en dejar preparada lainfraestructura para realizar el resto de la obra.

La segunda tiene por objeto dejar en seco el cauce para poderrealizar la cimentación, primero, y luego el resto de la obra en las debidascondiciones. Las obras de desvío pueden ser de gran envergadura engrandes ríos y, al estar condicionadas por las variaciones estacionales de

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los caudales, pueden influir en el plazo de la obra total, e incluso a vecesen su tipo.

Las excavaciones son una parte muy importante. Los sondeos,calicatas, etc., informan sobre su constitución, pero de forma puntual olineal, y entre esas prospecciones puede haber discontinuidades inclusoimportantes.

La ejecución de la presa propiamente dicha y de sus obrascomplementarias plantea el problema fundamental de organizar laconstrucción para lograr un ritmo constante con óptimo rendimiento yrealizarla en un plazo adecuado. Los problemas a resolver varíansustancialmente con el tipo de presa y, sobre todo, según los materialesconstitutivos (hormigón o materiales sueltos).

Alcanzada una cierta altura en la presa hay que proceder a anularel desvío del río para reintegrarlo a su cauce y comenzar su embalseparcial, adelantando en lo posible su explotación; otras veces no esposible este adelanto, pero en algún momento hay que reintegrar el río alcauce.

Por último, terminada la presa, suelen quedar algunas obras deremate (iluminación, embellecimiento, etc.), así como de los caminos,adaptación de edificios a su nuevo uso, etc., además del desmontaje delas instalaciones, demolición de obras inútiles antiestéticas, etc. Esta fasede la obra suele ser la más fácil y menos grata, pero necesaria.

Automatización

El funcionamiento automático, bien sea de las compuertas o delconjunto del sistema, releva al personal de una parte del trabajo y evitaerrores humanos. Pero introduce el riesgo del fallo mecánico o eléctrico.Digamos que la automatización lleva a una reducción personal, pero éste,en un mínimo, es imprescindible para revisar los aparatos, mantenerlos enforma y repararlos o sustituirlos cuando sea necesario. La intervenciónhumana es siempre insustituible e imprescindible de una u otra manera:no conviene olvidarlo en una época de casi edificación de los autómatas yordenadores.

La automatización puede tener varios grados:

− Sólo de los órganos de desagüe, individualmente.

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− Del conjunto de mecanismos de la presa.

− De un sistema de presas.

Las compuertas pueden funcionar automáticamente mandadas porel nivel del embalse detectado por un flotador o por un contacto eléctrico.

Para cubrirse de eventuales fallos, es aconsejable que, si se usancompuertas automáticas, su número no sobrepase el 50% del total, con loque, al menos, se cuenta con las restantes para el control voluntariomientras se subsana el defecto.

No obstante, la tendencia actual, sobre todo en grandes obras ysistema de presas es a una automatización creciente, y no sólo de loselementos individuales de desagüe, sino del conjunto, incluyendo lainterpretación de datos y la toma de decisiones operativas.

En todos los casos, pero tanto más cuanto más sofisticado es elsistema, hay que insistir en que la mejor garantía de funcionamiento estábasada en estos tres principios:

− Buen material y diseño de los mecanismos y aparatos.

− Frecuente inspección de su estado, debido mantenimiento ypruebas periódicas de su funcionamiento

− Adiestramiento del personal e instrucciones claras y concretassobre las maniobras en todas las circunstancias previsibles.

4.2.5 Datos varios sobre presas

En el antiguo Egipto se construyeron varias presas. Entre ellas, lahecha por Menés (hacia 4000 a.C.) para desviar el Nilo en Menfis, quetenía unos 15 m de altura y era de sillería, según dice Herodoto yconfirman las ruinas; duró nada menos que unos 45 siglos. Otra fue laque formó el Lago Maeris (1740 a.C.). En el período romanosobrepasaron la decena de metros de altura, y entre ellas las deProserpina (19 m) y Cornalvo (24 m) (A.42).

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Presas y azudes españoles anteriores a 1900

En Máxima Núm. SegúnSiglo Total Servicio altura inventario

(≥10 m) MOPII 10 5 24 2

II-V 5 - - -X 11 10 - -XI 2 2 11 -

XIII 2 1 - -XIV 4 2 25 1XVI 9 8 46 6XVII 12 7 24 3XVIII 25 19 49 12XIX 11 9 50 33

SUMA 91 63 57

Presas españolas desde 1900

Fin de año Nº presas Hm3 embalse Construidas en la décadaNº presas Hm3 embalse

1900 57 106 - -1910 74 194 17(30) 88(83)1920 119 990 45(61) 796(410)1930 165 1667 46(39) 677(68)1940 209 4030 44(27) 2363(142)1950 272 6020 63(30) 1990(49)1960 461 18046 189(69) 12026(200)1970 664 36798 203(44) 18752(104)1980 853 41597 189(28) 4799(13)1990 1010 49195 157(18) 7598(18)2000 1147 55402 137(14) 6207(13)

En construcción - - 23(2) 1128(2)

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Distribución tipológica (aproximada)

ESPAÑANÚMERO %

Tierra (TE) 195 16.43Escollera (ER) 131 11.04Gravedad (PG) 737 62.09Contrafuertes (CB) 31 2.61Bóvedas múltiples (MV) 3 0.25Bóveda (VA) 57 4.80Móviles (BM) 10 0.84Otras 23 1.94TOTAL 1187 100.00

Presas españolas de mayor altura:

Tierra (TE) GIRIBAILE, 89 m(río Guadalimar,1996)

Escollera (ER) CANALES, 157,50 m (río Genil, 1988)

Gravedad (PG) SALIME, 134 m (río Navia, 1956)

Contrafuertes (CB) J.M.ORIOL (Alcántara), 130 m (río Tajo,1969)

Bóvedas múltiples (MV) MEICENDE, 21 m (río Pastoriza, 1961)

Bóveda ALMENDRA, 202 m (río Tormes, 1970)

Del total de 22.751 registradas en 1996, la mayoría, 58,35 %, osea, tres de cada cinco, tienen entre 15 y 30 m de altura, una de cada tresentre 30 y 60, y sólo el 2,74 %, o sea, menos del 3% superan los 100 m.Con alturas superiores a 200 m sólo hay 38 presas, menos del 0,2%,existiendo en España sólo una, la de Almendra (río Tormes).

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Más del 50% del total de presas en el mundo están situadas encinco países, entre ellos España, y que un 25% del total están situadas enUSA.

Distribución según alturas

≥ 200 m = 1 presa ≥150<200 m = 2 presas ≥100<150 m = 34 presas ≥75<100 m = 73 presas ≥50< 75 m = 128 presas

Total: ≥50 = 238 presas

Presa más alta: Almendra (Iberduero, río Tormes) = 202 m.

Capacidad de embalse = 2648 hm3

Mayores embalses

Máximo actual: La Serena (río Zújar) = 3232 hm3 (88.45 m. Año 1989)

J.M. Oriol – Alcántara (Iberdrola, río Tajo) = 3162 hm3 (135 m. Año 1969)

Hay: 2 embalses ≥ 3000 hm3

1 embalse ≥ 2000<3000 hm3

6 embalses ≥ 1000<2000 hm3

15 embalses ≥ 500<1000 hm3

24 embalses ≥ 500 hm3

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Comisión Internacional de Grandes Presas (ICOLD)

La proliferación de presas en todo el mundo y los importantesproblemas técnicos, económicos y sociales que plantean, ha llevado aconstituir una entidad internacional para intercambiar experiencias y hacerllegar una más depurada tecnología a todos los países. Fue creada en1928.

Esta entidad es conocida internacionalmente por sus siglas eninglés, ICOLD (International Commision on Large Dams).

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4.2.6 Otras Formas de Captación de aguas Superficiales

Azudes

Son pequeñas presas de perfil bajo, utilizadas generalmente paracrear o ahondar pozas, y para recolectar y sujetar gravas para potenciarlos frezaderos naturales en ríos de fuertes pendientes. Los azudes seconstruyen con piedras, troncos, o gaviones con un vertedero para facilitarel paso de peces migradores en aguas bajas. La forma del azud puedeser recta o bien en ángulo, siendo la ventaja de estos últimos queprotegen mejor los anclajes laterales. En la creación de frezaderos es másefectiva la disposición de dos azudes próximos, de tal manera que elfondo del azud más alto esté al nivel del desagüe más bajo.

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Dique toma

Los dique tomas son estructuras semejantes a una presa pero apequeña escala y permiten obtener en la misma proporción los mismosobjetivos que una presa. En dichas estructuras se encuentran dispositivossencillos (tomas de fácil construcción), que permiten captar el agua en laintercepción del dique al río.

Las tomas son generalmente orificios protegidos ubicados en lacresta del vertedero central, por los cuales entra el agua a una tanquilla yluego a un canal o tubo que la transporta, por gravedad, o mediantebombeo al sitio de consumo o distribución. Los tipos de tomas sonesencialmente diferentes. En cada uno de estos tipos las fluctuaciones denivel de masas de agua deben ser cuidadosamente investigadas paraevitar los problemas relacionados con los niveles mínimos y máximos.Deben conocerse el régimen de los cursos, características del fondo,efectos de corrientes y crecientes y las características de las materiassólidas arrastradas por las aguas. El arrastre de partículas en épocas decrecidas puede ocasionar problemas.

Canal de desviación y pozo recolector

Este es otro tipo de sistema de captación en el cual se puederequerir o no bombeo. Además tiende a evitar el pase de material gruesoa la obra de captación. Este sistema consta de un canal que va dispuestoa un lado del río separado a este por un ángulo de aproximadamente 45º,el cual permite la penetración de cierto caudal y luego su depósito en un

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pozo al final del canal. En todo caso debe determinarse el nivel de lasaguas en la transversal, a fin d definir la ubicación del canal dedesviación.

Los canales de desviación y pozos recolectores son generalmenteutilizados en zonas rurales y para riego.

Captación de Agua de Lluvia

La captación de agua de lluvia se emplea por lo general enaquellos casos en los que no es posible obtener aguas superficiales nisubterráneas de buena calidad y cuando el régimen de lluvia esimportante, sin embargo, su aplicación es útil en cualquier caso. Para ellose utilizan los techos de casas u otras superficies impermeables. El aguaes captada y conducida a sistemas de almacenamiento cuya capacidaddepende del gasto requerido y limitado por el régimen pluviométrico.

En regiones con largos períodos de sequía entre épocas de lluviase recomienda construir tanques para almacenar el agua. El agua escaptada de los techos de las casas y conducida por canaletas lateralesque van a depositar el agua a un tanque de almacenamiento o cisterna.Para que la captación de aguas lluvias sea eficiente, los techos deben serconstruidos con materiales apropiados que no permitan obstrucción delrecorrido del agua, con suficiente área y adecuada pendiente. Los techospueden ser elaborados con diferentes materiales como barro o plástico,entre otros.

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Se recomienda que la cisterna o tanque de almacenamiento este lomás próximo a la vivienda y lo más alejado de las áreas decontaminación, como letrinas o aguas negras. Cuando empieza la épocade lluvia y se capte el agua que cae sobre el techo, es necesario perderlos primeros litros de agua, ya que contiene mucho polvo del que seacumula en el techo. Para hacer un tratamiento a las aguas lluvias serecomienda construir un filtro lento de arena en la parte superior deltanque. De esta forma se garantiza agua almacenada de buena calidad.Si el agua es para consumo, debe ser hervida o desinfectada con cloro.

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Cuando el terreno es impermeable, se puede construir unreservorio con piedras para almacenar las aguas lluvias e instalar unabomba manual para extraer el agua.

Captación de Agua de Niebla

En países como Chile, Perú, Haití, Nepal, etc. existen pequeñaspoblaciones en montañas o islas en las que por muchas razones nopueden ser abastecidas de agua potable proveniente de embalses, yademás no existe acuífero que permita la explotación del aguasubterránea, debido a esto, los habitantes de estas comunidades se venen la necesidad de caminar a menudo muchas horas para llevar el agua acasa. Sin embargo gracias a su posición y altitud, estas comunidadespueden aprovechar al agua que esta contenida en la niebla,interceptándola por medio de un sistema muy sencillo.

La tecnología de la captación de agua de niebla consiste en lainterceptación de la niebla a su paso por las cumbres de las montañas,mediante mallas tipo geotextil que atrapan las microgotas de aguacontenidas en la niebla. El agua, una vez interceptada, cae por acción dela gravedad a través de la malla y es recolectada y transportada encanales de plástico hacia un colector principal que posteriormente laalmacenará y/o transportará. Es un sistema sencillo y relativamente

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económico. Se ha determinado que la cantidad de agua que se puedeencontrar en la neblina esta entre 0.05 gr/m3 a 3 gr./m3. En la actualidad,estos equipos son capaces de obtener en condiciones óptimas entre 2 y25 litros por metro cuadrado por día (dependiendo de las condicionesmeteorológicas del momento y de la zona).

El Consorcio de Investigaciones en materia de Agua, Agricultura yMedio Ambiente de Canadá y la Universidad Católica de Chile sonactualmente los pioneros en la materia de captación de agua de niebla.

El sistema no se escapa a limitaciones y desventajas, sobretodo decuantía de captación, pero es una alternativa muy eficiente, y en muchasocasiones la única, sin embargo, el agua obtenida es de alta calidad, loscostos son bajos y el impacto ambiental también lo es.

Efectos ambientales y sociales de las captaciones de aguasuperficial

No hay actividad, por útil que sea, sin efectos negativos; si sóloaceptásemos emprender acciones seguras, nuestra vida quedaríaparalizada: no podríamos ni siquiera andar, puesto que todo entraña unriesgo. Una actividad debe juzgarse por el conjunto de sus consecuenciasy decidir a la vista del balance.

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Estas, como toda obra, producen una modificación del medionatural: excavaciones, instalaciones, la mismo presa y, sobre todo, lainundación del valle aguas arriba y el cambio de régimen del río aguasabajo suelen ser los efectos más importantes.

La retención del agua es el objetivo mismo de la presa; gracias aella se amortiguan o suprimen los daños de las avenidas, se palian losestiajes y sequías, se riega y se produce energía. Pero al retener el aguase retienen también las partículas sólidas que arrastra o lleva ensuspensión, que quedan acumuladas en el embalse; y la inundación hacedesaparecer la biota natural y, sobre todo, el hábitat y actividad humana.

La construcción deficiente de un dique, así como el manejodeficiente es un peligro latente para el entorno, ya que, el riesgo decedencia de los materiales que la forman pueden causar el colapso de laestructura y así provocar grandes daños a poblaciones aguas abajo. Lasobras de ingeniería de tal magnitud requieren que sean inminentementeseguras y el diseño debe ser acorde al funcionamiento, riesgo ycaracterísticas particulares de la obra. La elección de los materiales ycaracterísticas estructurales de la obra así como la construcción misma yfuncionamiento deben ser rigurosamente controlados.

Una optimización del aprovechamiento de los recursos hidráulicosseria una combinación de captaciones superficiales y subterráneas, endonde sea necesario y posible.

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4.3- Aguas Subterráneas

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4.3- Aguas Subterráneas

Se le denomina agua subterránea a toda aquella agua que seencuentra por debajo del nivel freático o zona saturada. Como semencionó en el ciclo del agua, del volumen de agua que precipita a tierradesde la atmósfera, una porción de ésta se infiltra en el suelo, pasandoprimero por una capa superficial del suelo que se llama zona no saturadaen la cual las raíces de las plantas logran interceptar para utilizarla en suciclo vital. El resto del agua seguirá su camino a través de la tierra, poracción de las fuerzas gravitatorias, en diversas formaciones geológicas,que podrán almacenarla o transportarla. El agua en estas condiciones seencuentra en la zona saturada en donde se une con más agua.

El agua subterránea es una parte intrigante del ciclo hidrológico,estas sustentan el caudal de las corrientes superficiales durante losperíodos sin lluvia y constituye además, la única fuente de agua dulce enmuchas localidades áridas.

La cuantificación del volumen y de los caudales del aguasubterránea a veces es una tarea dificultosa porque vienen determinadosen alto grado por la geología de la región. El tipo a arreglo de las rocas ylos suelos son factores importantes y los mismos son altamente variablesen un reservorio de agua subterránea. No obstante los hidrólogosdesarrollan continuamente nuevas técnicas que permiten mejorar lainvestigación.

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4.3.1 Características de las Aguas Subterráneas

El agua en su camino hacia el acuífero viene de la lluvia con ciertascaracterísticas adquiere otras en su trayecto de escorrentía y siguetransformándose en la infiltración, al llegar al acuífero tiene contacto conminerales de las rocas y seguirá transformándose lentamente. Losmecanismos que intervienen en la composición y evolución del agua son:la Disolución (de gases y sales) y el ataque químico (carbo-disolución,hidrólisis, oxidación reducción, cambios de bases y reaccionesbioquímicas). Por esta razón el agua subterránea presenta unamineralización elevada.

En aguas subterráneas contaminadas pueden cambiar lascaracterísticas y concentración de los elementos presentes, tambiénpuede suceder en aguas no contaminadas que existan elementospresentes en mayores concentraciones a las aquí descritas.

Constituyentes en el Agua Subterránea.

Cationes Macro constituyentes

Calcio (Ca2+): Su presencia en el agua subterránea es debida a ladisolución de los carbonatos y sulfatos de calcio (calizas, dolomíasy yesos). La concentración de calcio en el agua subterráneapotable puede llegar hasta unos 1000 ppm sin que tenga efectosperjudiciales en la salud humana.

Magnesio (Mg2+): su concentración en el agua subterránea esdebida a la disolución de dolomias y numerosos silicatos que locontienen, aguas del mar, intercambio cationico, etc. Por lo generalse encuentra en menor proporción que el calcio, aunque en lasaguas marinas puede ser hasta 5 veces más abundante.

Sodio (Na+): su contenido suele deberse a la hidrólisis defeldespatos. En otros ambientes se debe a la disolución desulfatos, nitratos y cloruros sódicos o simplemente a intrusiónmarina.

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Potasio (K+): se debe a la hidrólisis de los feldespatos, a disoluciónde sulfatos, nitratos y cloruros. Se suele encontrar en unaproporción diez veces inferior al sodio debido a que las arcillasintercambian selectivamente K+ por Na+.

Aniones Macro constituyentes.

Cloruro (Cl-): Su presencia en el agua subterránea se debe al aguamarina atrapada en los sedimentos, a la disolución de evaporitascloruradas o a la intrusión marina. Cuando predomina este anióntambién lo hacen el sodio o el calcio.

Sulfato (SO42-): Es debido a la disolución de sulfatos como el yeso

y la oxidación de sulfatos como el yeso y a la oxidación de sulfuros.

Bicarbonato (CO3H-) y carbonato (CO32-) Procede

fundamentalmente de la disolución del CO2 atmosférico, del suelo yde los carbonatos, esencialmente calizas y dolomias. La alcalinidadde las aguas se debe en la mayoría de las ocasiones a la presenciade CO3H- y CO3

2-.

Nitrato (NO3-): su presencia en el agua subterránea se debe a la

descomposición de la materia orgánica, a contaminación poraplicación de fertilizantes agrícolas, efluentes urbanos eindustriales, lixiviados de vertederos de residuos sólidos, etc.

Iones Microconstituyentes más comunes

Nitrito (NO2-): Su presencia se debe a la reducción de los nitratos

por actividad bacteriana. No debe existir en el agua porque esnocivo para la salud, siendo su presencia síntoma indudable decontaminación.

Amonio (NH4+) y amoniaco disuelto (NH3): Su presencia es

evidencia de contaminación y actividad bacteriana.

Litio (Li+): Aparece en cantidades de pocos microgramos por litro.Procede de algunos minerales muy escasos y característicos derocas magmáticas. Contenidos mas elevados deben ser estudiadospor posibles daños a la salud.

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Fluoruros (F-): Pueden proceder de algunos minerales que sontípicos de rocas magmáticas. Las concentraciones mayores a los1.5 mg/d pueden provocar fluorosis (enfermedad dental).

Boro (B...): En las aguas naturales se encuentra esencialmente enla forma de ácido bórico no disociado. Concentraciones superioresa 1 ó 2 mg/l en el agua de riego resultan nocivas para las plantas.

Hierro (Fe...): Su determinación incluye sus dos estados deoxidación, precipita como oxido o hidróxido, también puedeencontrarse formando parte de compuestos orgánicos.

Manganeso (Mn...): Su determinación incluye sus estados deoxidación +2 y +3. Su valencia +4 sólo aparece en el oxidoinsoluble. Tiene un comportamiento similar al hierro aunque tieneun potencial redox mayor.

Anhídrido Fosfórico (P2O5): se encuentra formando fosfatos otripolifosfatos, y formando parte de complejos orgánicos. Puedeproceder de ciertos minerales, de lavados de suelos, lixiviados debasuras, del uso de tripolifosfatos para el desarrollo de sondeos,etc. En concentraciones de 0.01 mg/l entorpecen la floculación yfavorecen la eutrofización.

Anhídrido silícico (SiO2): Se encuentra en concentraciones muyreducidas.

Entre los gases pueden considerarse como fundamentales elanhídrido carbónico (CO2) y el oxigeno disuelto (O2).

Microorganismos.

Se pueden distinguir 2 tipos de microorganismos que puedendesarrollarse tanto en los suelos como en acuíferos, en ausencia de luz:

Los organismos quimiolitotrofos: bacteria autótrofa, la energía quenecesitan la obtienen a través de reacciones químicas de oxido reducción,requieren de oxigeno, entre ellas se destacan: Nitro bacterias, ferrobacterias, thiobacterias (bacterias del azufre.

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Los microorganismos quimiorganotrofos: bacterias heterótrofas,son anaerobias, se destacan las bacterias sulfato reductoras.

Temperatura

Las aguas subterráneas por lo general poseen temperaturas muypoco variable y responde a la media anual de las temperaturasatmosféricas, incrementando su temperatura a medida que se profundizaen valor aproximado de 1º C cada 33 metros a excepción de zonasteutónicas y volcánicas, donde es mayor y en zonas sedimentarias dondees menor.

La temperatura afecta entre otras características del agua laviscosidad del agua y la capacidad de absorción de gases.

Conductividad

La conductividad eléctrica es la capacidad de una disoluciónacuosa de conducir la electricidad. La resistividad eléctrica se defineanálogamente y es el inverso de la conductividad. Generalmente seconsidera esta última ya que aumenta paralelamente a la salinidad.

La conductividad crece con el contenido de electrolitos disueltos,en las aguas subterráneas dulces varia entre 100 y 2000µS/cm, el aguade mar tiene aproximadamente 45000µS/cm a 18º C.

Dureza

La dureza del agua se debe a los cationes polivalentes quecontiene y en especial a los cationes Ca2+ y Mg2+. En cantidadesabundantes pueden causarlo siguiente: impiden que se forme espuma enel jabón, pueden originar manchas en ciertos tejidos cuando se lavan conesta agua, originan costras de carbonato de calcio en las calderas.

Las unidades comunes para medir la dureza son los meq/l, gradosfranceses y los ppm de CO3Ca.

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Color y Sabor

El color es la capacidad de absorber ciertas radiaciones delespectro visible, en general en el agua subterránea esta originado pormateriales orgánicos de formaciones carbonosas. El agua pura en granespesor es azulada y con presencia de Fe puede tomar color rojizo ynegro con Mn. El color puede indicar contaminación orgánica y esdesagradable en el agua de bebida.

El sabor del agua es una determinación organoléptica subjetiva, deinterés en el agua potable. Las aguas con mas de 300ppm de Cl- tienengusto salado, las que tienen mucho CO2 libre tienen gusto picante y conmas de 400 ppm de SO4

2- tienen gusto salado y amargo.

Turbidez

Es la dificultad del agua para transmitir la luz. La turbidez se mideen ppm de SiO2. El agua llamada transparente tiene menos de 1.42 ppmde SiO2 y permite ver en 4 metros de espesor, hasta 2.85 ppm de SiO2 sellama opalina, hasta 6.25 algo turbia hasta 9 turbia y más de 9 muy turbia.En las aguas subterráneas por lo general el valor esta por debajo de 1ppm.

Clasificación de las aguas según su composición química

El agua se puede clasificar de muchas maneras atendiendo adiversos parámetros. Las siguientes clasificaciones son las de interéspara el estudio del agua subterránea.

Según el contenido de sólidos totales:

• Dulce: con mineralización muy débil (hasta 250ppm), demineralización ligera (de 250 a 500 ppm), de mineralizaciónalta (de 500 a 1.250 ppm.

• Salobre de 1250 a 10.000 ppm.

• Agua Salada de 10.000 a 100.000 ppm.

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• Salmuera mas de 100.000 ppm.

Según la dureza total

• Aguas Blandas (3meq/l)

• Aguas de dureza media (7meq/l)

• Aguas duras (12 meq/l)

Aguas muy duras (> 12 meq/l)

Toma de Muestra del Agua para Análisis Químico

Dependiendo del parámetro que se quiera medir o de lo que sedesee analizar la manera de realizar la toma de muestra es variada. Lamanera más sencilla y cómoda es tomar la muestra directamente delpozo, una vez instalada la bomba, en la cual se recomienda esperar a quese descargue un poco el agua que estaba contenida a lo largo del pozo.

En los casos en que se desee tomar muestras a diferentes niveleso no se halla instalado la bomba deben utilizarse botellas lastradas,suelen utilizarse también cilindros lastrado y botellas de doble boca(hidrocaptor).

En general las aguas subterráneas tienden a mantener constantesu composición, tanto más profundas y alejadas estén de la zona derecarga. Puede bastar una muestra mensual, pero en zonas cercanas a larecarga o intrusión marina se puede requerir mayor frecuencia de la stomas de muestras, sin embargo para la caracterización biológica la tomade muestra debe ser frecuente ya que el agua puede estar sometida acambios locales y rápidos.

Temperatura

La temperatura influye en la cinética de todas las reacciones, por lotanto, todos los parámetros químicos tendrán que ir referidos al valor quepresente ésta en el momento del análisis. Como la temperatura del aguaen el campo puede diferir en el laboratorio, lo valores obtenidos como elpH, Eh y conductividad, no corresponderán exactamente a los que se dan

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en el medio. Por eso es conveniente tomar la temperatura y todas lasmediciones posibles in situ, aunque en el caso de las aguas subterráneasesto puede ser complicado. Actualmente existen sondas para mas de 500metros que pueden realizar un registro continuo o digrafía de ladistribución vertical de temperatura en el sondeo.

pH y Eh

Para medir el pH en el campo se utiliza un medidor de pH opeachimetro portátil. También se puede medir el pH con métodoscalorimétricos basados en sustancias colorantes llamadas indicadoresaunque son poco usados por su relativamente poca precisión.

Las soluciones acuosas pueden ser graduadas como reductoras uoxidantes en campo basándose en las mediciones de los valores ORP(potencial de oxidación-reducción, o simplemente redox).

Residuo seco y total de sales disueltas

El residuo seco es el peso de material resultan de evaporar un litrode agua, calentando la muestra a 180º o 110º C, en estufa seca, mientrasque el total de sales disueltas representa el total de sustancias disueltasen el agua, sean volátiles o no. El total de sales disueltas seria un pesoligeramente mayor que el de residuo seco, no obstante el contenido deresiduo seco da una idea muy aproximada del contenido de salesdisueltas.

Las aguas dulces tienen un residuo seco entre 50 y 1500 ppm,mientras que el agua de mar tiene alrededor de 35000 ppm.

Oxigeno disuelto OD

El oxigeno disuelto en una determinada muestra de agua sirve paraevaluar si el medio es aerobio o anaerobio y su capacidad para oxidar. Semide en ppm de O2.

Demanda química de oxigeno DQO

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También definido como oxidabilidad, oxigeno consumido por lasmaterias orgánicas o simplemente materia orgánica (MO). Sirve paraevaluar la cantidad de materiales orgánicos y demás agentes reductorespresentes en el agua. Se mide en ppm de O2. Valores de hasta 15 ppmson normales para aguas no contaminadas, sin embargo a partir de 10ppm puede ser claro indicio de contaminación.

Demanda Bioquímica de oxigeno DBO

Es la medida de la cantidad de oxigeno necesario para que losmicroorganismos aerobios eliminen la materia orgánica contenida en elagua. Se utiliza para determinar el estado de las aguas residuales o supotencial polucionante. En Hidrogeoquímica es de muy poco interés. Semide en ppm de O2. En aguas subterráneas por lo general se dan valoresmenores de 1 ppm, valores mas elevados evidencian contaminación.

Métodos de Análisis Químicos

Existen diversos métodos para el análisis químico del agua, tantoen sitio como en laboratorio, los cuales solo se nombraran.

- Métodos gravimetritos

- Métodos volumétricos o valoraciones.

- Determinaciones conductivimétricas.

- Determinaciones Electrométricas.

- Métodos Colorimétricos y espectrofotométricos.

- métodos de fotometría de llama

4.3.2- Conceptos básicos de Hidrogeología

La hidrogeología, también llamada hidrología subterránea, es larama de la hidrología que estudia el almacenamiento, circulación ydistribución de las aguas terrestres en la zona saturadas de las

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formaciones geológicas, teniendo en cuenta sus propiedades físicas yquímicas, su interacción con el medio físico y biológico y su respuesta a laacción del hombre.

Definiciones de interés.

El Acuífero es una formación geológica que permite almacenar ytransportar agua y adicionalmente permite al hombre aprovechar el aguapara cubrir sus necesidades.

Un Acuícludo se define como una formación geológica quecontiene agua en su interior pero que no la puede transmitir y por lo tantono es aprovechable. Dentro de este grupo se encuentran los cienos ylégamos (generalmente arcillas), que a pesar de poseer grandescantidades de agua no son hidrogeológicamente aptos para permitir lacaptación de agua de dichas formaciones.

Existen otras formaciones geológicas llamadas acuitardos quecontienen apreciables cantidades de agua pero que las transmiten muylentamente, por lo que tampoco son aptas para realizar una obra decaptación, sin embargo, bajo condiciones especiales pueden recargaracuíferos o ser recargados por acuíferos.

Otras formaciones geológicas que no contienen agua y tampocopueden transmitirlas son llamadas acuifugos, por ejemplo un macizogranítico no alterado ó una roca metamórfica sin meteorización nifacturación.

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Características de las formaciones geológicas

No todas las formaciones geológicas, o rocas en general, poseen lamisma facilidad para transmitir y proporcionar agua en cantidadesapreciables económicamente. Las diferencias en este aspecto entre losaluviones de un río y un macizo granítico poco alterado, por ejemplo, sonevidentes. Los acuíferos pueden estar formados por depósitos noconsolidados de material suelto como arenas, gravas y mezcla de ambos.Estos depósitos pueden ser de orígenes diferentes tales como: fluvial,deltáico o sedimentarios.

Tipos de acuíferos

Una de las clasificaciones más importantes para los acuíferos es laque lo agrupa de acuerdo a la presión hidrostática del agua contenida enlos mismos. En consecuencia será de dos tipos:

Acuíferos Libres, no confinados ó freáticos: aquellos acuíferos enlos cuales existe una superficie libre del agua encerrada en ellos que estaen contacto directo con el aire y por lo tanto a presión atmosférica mas lapresión hidrostática a medida que se profundiza en él. Debido a que ladensidad del agua es de 1g/cm3 la presión de fluidos aumentará 1 Kg/cm2

por cada 10 metros de profundidad. Se le llama nivel freático al nivel enque se encuentra la superficie del agua.

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Acuíferos cautivos, confinados ó a presión: aquellos acuíferos enlos cuales el agua esta sometida a una cierta presión, superior a laatmosférica e hidrostática, y ocupa la totalidad de la de los poros huecosde la formación geológica, la cual se encuentra totalmente saturada. Porello durante la perforación de pozos en acuíferos de este tipo, al atravesarel techo del mismo se observara un ascenso rápido del nivel de aguahasta estabilizarse en una determinada posición. De acuerdo con éste y ala posición del nivel topográfico de la boca del pozo, pueden considerarsepozos Surgentes o Fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezométricoesta situado a cota superior de la boca del pozo y simplemente artesianoó a presión a los pozos en el mismo acuífero pero cuyo nivel piezométricoquede por debajo de la superficie topográfica de los alrededores delmismo acuífero. Los términos de cautivo o confinado son debidos a que elacuífero se encuentra encerrado por dos capas o estratos impermeables.

Acuíferos semicautivos o semiconfinados: se pueden considerar uncaso particular de los acuíferos cautivos, en los que el muro (parteinferior) y/o el techo (parte superior) que los encierra no es totalmenteimpermeable sino un acuitardo, que alimente el acuífero principal encuestión, a partir de acuífero o masa de agua situada encima o debajo delmismo. Como es lógico, este paso vertical de agua solo es posible cuandoexiste una diferencia de potenciales entre acuíferos (en que recarga y elrecargado) y puede hacerse en uno u otro sentido, incluso variar con eltiempo, según sea la posición relativa de los niveles piezométricos de losmismos.

Otro criterio de clasificación de acuíferos es el que atendiendo a laspropiedades físicas de las rocas lo subdividen en tres tiposfundamentales:

a) Acuíferos detríticos, con permeabilidad debida exclusivamente aporosidad intergranular. Son todos los materiales con tamaño de grano dearena como mínimo (arenas, arcosas, areniscas, gravas, conglomerados,etc.).

b) Acuíferos figurados y/o kársticos, que poseen porosidadoriginada por fracturación, microfracturación y/o karstificación. Seencuentran entre ellos: las calizas, dolomías, yesos, areniscas muycementadas, granitos, basaltos, etc.

c) Acuíferos mixtos, cuya porosidad se debe a un conjunto de todaslas anteriores causas. Un ejemplo de acuífero de este tipo pueden ser lasarenas calcáreas o calcarenitas.

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En general, los acuíferos detríticos son más homogéneos, tienenmayor capacidad de almacenamiento por unidad de volumen que losfigurados-Kársticos, por lo que reaccionan con más inercia a los bombeosque estos últimos.

Parámetros hidrológicos fundamentales

Los parámetros hidrológicos permiten definir el funcionamiento delos acuíferos. Entre ellos tenemos la porosidad, la permeabilidad,transmisividad (que depende de la permeabilidad) y el coeficiente dealmacenamiento.

Porosidad (m)

La porosidad es la relación entre el volumen de la parte vacía de unmaterial (ocupado por aire o agua) y su volumen total. Los poros son losespacios vacíos que existen entre los granos de material.

Si se considera un cierto volumen de muestra de una roca o suelo,se puede distinguir:

a- Volumen de la parte sólida (Vs)

b- Volumen de huecos (Vv)

c- Volumen total (Vt= Vs + Vv)

En este supuesto la porosidad viene siendo:

m= Vv/Vt

Los factores que influyen en la porosidad son:

La forma de los granos que determina la forma ydimensiones de los poros.

Disposición de los granos.

Tamaño del grano.

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Permeabilidad o conductividad hidráulica (K)

La permeabilidad indica la capacidad del medio poroso para dejarcircular el agua, y depende de las características de la roca o formación ydel agua circulante. Técnicamente se define como el flujo de agua queatraviesa una sección unitaria de acuífero, bajo la influencia de ungradiente unitario.

K = KO (γ/µ)

γ = peso especifico del agua

µ = viscosidad dinámica del agua

KO se conoce como permeabilidad específica o intrínseca yengloba las características del medio:

KO = CD2

C = constante adimensional

D = diámetro medio de la curva granulométrica

Sus dimensiones son:

KO = L2

Las dimensiones de K son:

ML (T-2/L3)

K = L2 L2 L-1 T-1 = LT-1

MLT-2 (T/L2)

La unidad que da cifras mas manejables es el m/día.

Los valores mas comunes de K están expuestos en la tablasiguiente:

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K (m/día) Calificación

K < 10-2 Muy baja (acuicludos)

10-2 < K< 1 Baja (acuitardos)

1< K < 10 Media (acuitardos)

10 < K < 100 Alta

K > 100 Muy alta

Tabla: Valores de permeabilidad (K), según diversos autores

A veces se distingue la permeabilidad media en el plano vertical dela del plano horizontal, siendo el cociente Kh/Kv el índice de anisotropíadel acuífero: Cuando la permeabilidad se obtiene para todo el espesor deacuífero saturado se llega el concepto de transmisividad.

Los factores que determinan la permeabilidad pueden serintrínsecos y extrínsecos. Los intrínsecos son los propios del acuífero ydependen del tamaño de los poros. Los factores extrínsecos son los quedependen del fluido y son fundamentalmente su viscosidad y su pesoespecífico. La viscosidad de un fluido es la medida de la fuerza resistente,por unidad de área y por unidad de gradiente de velocidad transversal a la

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dirección del movimiento del fluido. Tanto la viscosidad como el pesoespecífico dependen de la temperatura, por lo que en casos especialesdebe tenerse en cuenta ésta, sobretodo por la notable influencia de laviscosidad en la permeabilidad

Permeabilidad

(m/día) 104 103 102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10

Tipo de

terreno

Grava

limpia

Arena

limpia;

mezcla de

arena y

grava

Arena fina; arena

arcillosa; mezcla de

arena, limo y arcilla;

arcillas estratificadas

Arcillas no

meteorizadas

Clasificación Buenos acuíferos Acuíferos pobres Impermeables

Capacidad

de drenajeDrenan bien Drenan mal No drenan

Transmisividad (T)

La transmisividad es el flujo de agua que atraviesa una banda deacuífero de anchura la unidad y de altura el espesor saturado, bajo lainfluencia de un gradiente unitario a temperatura ambiente:

T = Kb

Donde b es el espesor saturado.

Las dimensiones son: T = LT-1L = L2 T-1

En la siguiente tabla se ofrecen las valoraciones estimativas pararangos de transmisividad:

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T(m2/día) CalificaciónQ. específicos

(l/s/m descensos)

T<10 Muy baja <0,1

10<T<100 Baja 0,1-1

100<T<500 Media 1-5

500<T<1000 Alta 5-10

T>1000 Muy alta >10

Coeficiente de almacenamiento (S)

Este coeficiente representa el volumen de agua liberada ointroducida en un volumen de acuífero, de base la unidad y de altura elespesor saturado, al descender u ascender, respectivamente, el potencialhidráulico en una unidad. Es una relación de volumen de agua a volumende acuífero y por tanto no posee dimensiones. En los acuíferos libres elcoeficiente de almacenamiento es igual a la porosidad eficaz, es decir, alvolumen del agua gravífica extraído de una unidad de acuífero saturado.

Como idea de orden de magnitud, se puede recordar que varía de0.5 a 0.30 en condiciones libres y caer en el campo de las milésimas acienmilésimas en condiciones artesianas o cautivas (10-3 a 10-5).

Ley de Darcy

El agua subterránea se mueve por caminos tortuosos formado porvacíos interconectados entre las partículas de suelo. Debido a que laresistencia al flujo es alta, la velocidad del agua es baja en consecuencia,el flujo es laminar. Considérese el flujo entre dos depósitos conectadospor un tubo lleno de un material poroso uniformemente gradado, como semuestra en la figura. La ecuación de la energía entre la superficie delprimer depósito y la del segundo depósito es:

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g2V

DLfz

Pg2V

zP

g2V 2

222

111 ++

γ+=+

γ+

Donde:

V es la velocidad

P es la presión

Z es la elevación

g es la aceleración de la gravedad

f es el coeficiente de resistencia de weisbach

L es la longitud del tubo

D es el diámetro del tubo

γ es el peso específico del fluido.

Puesto que V1 y V2 son normalmente muy pequeños, se desprecianlos términos que contienen la velocidad elevada al cuadrado, como P1 =P2 es igual a la presión atmosférica, la ecuación de la energía setransforma en:

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Z1 – Z2 = f (L/D) (V2/2g) ; ó V2 = (2gD/f) (h1 – h2/L)

V2 = - (2gD/f) (∆h/L)

Los estudios realizados sobre esta materia, han indicado que parabajas velocidades que se encuentra normalmente, el coeficiente deresistencia f es inversamente proporcional a V, la cantidad 2gD/f se defineusualmente como:

2gD/f = KV

donde K se denomina coeficiente de permeabilidad y es función dela forma y el tamaño de los granos. La permeabilidad es entonces, elopuesto de la resistencia, y una baja resistencia al flujo implica unapermeabilidad relativamente alta. Por sustitución y reducción de términossemejantes y considerando una longitud diferencial dL, se obtiene:

V = - K (dh/dL)

Que es la expresión de la ley de Darcy. El signo negativo significasimplemente que el flujo ocurre en la dirección de decrecimiento de h. Kposee las dimensiones de velocidad.

La ley de Darcy ofrece una aproximación satisfactoria almovimiento del agua en un medio poroso, si este no es turbulento. Estaley establece una proporcionalidad directa entre la velocidad del flujo y elgradiente hidráulico. El gradiente hidráulico no es mas que la diferenciade potencial hidráulico entre dos puntos.

V = - K ∇h

V es la velocidad del flujo

K es la permeabilidad

Vh es la diferencia de potencial hidráulico entre dos puntos.

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La ley de la conservación de la masa expresa que en un volumendeterminado de medio poroso, la suma de las masas que entran es iguala la suma de las masas que salen menos la variación de las masasalmacenadas, en un instante dado.

La combinación de la Ley de Darcy y de la ley de conservación dela masa, permite llegar a la ecuación diferencial general del flujosubterráneo:

(∂2h/∂x2) + (∂2h/∂y2) + (∂2h/∂z2) + (F/K) = (S/T) (∂h/∂t)

F son las recargas exteriores

S el coeficiente de almacenamiento

T es la transmisividad

(∂2h/∂x2) + (∂2h/∂y2) + (∂2h/∂z2) representa la suma de entradas ysalidas de un volumen poroso elemental.

(F/K) representa las recargas de agua exteriores al sistema.

(s/h)(δh/δt) = 0 representa la variación de almacenamiento endicho volumen poroso elemental.

Se trata de una ecuación diferencial lineal, de segundo orden enderivadas parciales, que no se puede resolver por métodos analíticos.Puede solucionarse en cada caso particular imponiendo simplificaciones,denominadas condiciones de contorno o limitativas, que eliminan algunosde los términos de la ecuación y facilitan la resolución. La interpretaciónde los resultados será tanto más segura y exacta cuanto mas se aproximeel medio físico real al modelo matemático. En la práctica son admitidaspequeñas variaciones sin invalidar el modelo empleado.

Por ejemplo:

Si no existen recargas exteriores, (F/K) = 0

Si el flujo es radial, no existen componentes verticales y (∂2h/∂z2) = 0

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Si el régimen es permanente, es decir, no varía el nivelpiezométrico con el tiempo. (s/t)(δh/δt) = 0

Magnitudes de uso frecuente en el estudio de una captación

En la figura se muestra un pozo y se indican la simbología utilizadapara darle valores y definir el comportamiento hidráulico.

La altura del agua sobre la base del acuífero se suele designar porH y en cualquier punto la diferencia del espesor de agua antes delbombeo Ho y durante el bombeo se designa por s = Ho – H y se llamadescenso. En caso de recarga se llama ascenso, representado por elmismo símbolo. En acuíferos cautivos s es la diferencia entre el nivelpiezométrico inicial ho y el actual h; s = ho - h.

La profundidad útil del pozo (l) ele, es la distancia desde lasuperficie del terreno hasta la parte mas baja de la zona filtrante o zonapor donde penetra el agua.

El nivel de agua con el pozo en funcionamiento (H, h) es ladistancia desde el acuífero hasta el nivel del agua. El nivel antes delbombeo se representa por Ho , ho y el nivel en el pozo durante el bombeopor Hp , hp ( los valores en mayúsculas son para los acuíferos libres ysignificaran también espesor saturado, en minúsculas para los acuíferoscautivos y no es preciso fijar las bases de los mismos como referencia).

El descenso ene le nivel del agua es (s) s = ho – h ò (mayúsculas)

El descenso del agua en el pozo (sp), sp = ho – hp ó (mayúsculas)

La longitud de la zona filtrante representada por l, y es la longitudde la zona útil de penetración del agua en la captación. La magnitud a1 serefiere a la distancia de la parte inferior de la zona filtrante útil al techo delacuífero, o al nivel estático del agua en los acuíferos libres.

El espesor del acuífero (b). en el caso de acuífero libre, seconsidera igual al espesor saturado y por lo tanto b = H.

El diámetro del pozo y radio del pozo (�, rp), respectivamente. Seentiende generalmente por tales los que correspondan a la entubación yen su defecto los de perforación. En ocasiones también se entenderá porrp lo que se definirá mas adelante como radio efectivo del pozo.

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El radio de influencia del pozo (R), es la distancia a partir de la cualse consideran nulos los descensos producidos por el bombeo en el pozo.

Longitud relativa de la zona filtrante (δ), es el cociente entre sulongitud y el espesor del acuífero. δ = λ/b.

Excentricidad relativa de la zona filtrante (ε), expresa la posición dela zona filtrante en el acuífero

e = (a1 – a2)/2b

Esbeltez de la zona filtrante (λ/ 2rp). Expresa la relación entre lalongitud de la zona filtrante y su diámetro.

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Régimen permanente y régimen no permanente

Al iniciarse un bombeo a caudal constante el agua es liberada delalmacenamiento en el entorno inmediato del pozo, bien por reacciónelástica (si es confinado) o por drenaje gravífico (si es libre),simultáneamente al descenso del nivel de saturación (libre) o del nivelpiezométrico (cautivos).

La depresión producida adopta la forma de un cono invertido o unembudo centrado en el pozo. Se establece un gradiente hidráulico y unflujo radial hacia la captación de igual magnitud al caudal bombeado.

Entre dos superficies equipotenciales cualesquiera (cilindrosconcéntricos con el pozo) atraviesan la misma cantidad de agua(exactamente la bombeada). Pero como las superficies aumentan enproporción directa al radio, el gradiente preciso para establecer el flujo estanto menor cuanto mayor es la distancia al pozo. Esto justifica la formaconvexa hacia la superficie de los conos de depresión.

La distancia entre el pozo que se bombea y el círculo donde lainfluencia puede considerarse nula se denomina radio de influencia.

La velocidad de descenso de nivel en el pozo va decreciendo,puesto que según se extiende el cono, menores son los gradientesnecesarios para proporcionar el caudal que se bombea. El periododurante el cual los descensos van aumentando se llama régimen variable.

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En un acuífero que no puede recibir ningún tipo de recarga de aguadesde el exterior, al menos durante la duración del bombeo, siempre seestará en régimen variable. Sin embargo, si el acuífero es de extensiónmuy grande (infinito a efectos prácticos), no existirá limitación para que seamplíe el cono de depresión y por tanto la velocidad de descenso del niveldel pozo irá disminuyendo paulatinamente hasta hacerse prácticamentedespreciable, pudiéndose decir en ese momento que el pozo estaestabilizado.

Si trascurrido un tiempo de bombeo se induce una recarga desdeel exterior, en un volumen de idéntica proporción a la del bombeo, sepasa a régimen permanente o estacionario. El cono de depresión seestabiliza, ya que el agua deja de tomarse del almacenamiento. Elacuífero pasa a ser un mero transmisor de la recarga.

En la figura se puede observar las curvas características quedefinen el perfil de descenso del nivel del agua en un acuífero al serextraído un caudal constante.

4.3.3- Construcción de Pozos

El primer paso para la construcción de pozos es la fijación del sitiode la perforación. La investigación previa de la región permitirá en muchoscasos localizar las zonas donde existen estratos productores. Se debe atal efecto obtener la información geológica necesaria de la región, si esposible, datos de perforaciones anteriores.

Es necesario aclarar ciertos conceptos acerca de las obras decaptación de aguas subterráneas, antes de ahondar en el tema de lahidráulica y la construcción de la obra. Las obras de captación de aguasubterránea más comunes son:

Pozos: Perforación vertical, en general de forma cilíndrica y dediámetro mucho menor que la profundidad. El agua penetra a lo largo delas paredes creando un flujo de tipo radial. Es el tipo de captación máscomún.

Drenes y galerías: también llamados túneles, zimbras o minas. Sonsolo perforaciones o instalaciones horizontales de sección mas o menoscircular y con una longitud mucho mayor que el diámetro. El agua penetra

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a lo largo de la obre creando un flujo aproximadamente paralelo yhorizontal. Los drenes y galerías acaban en un pozo colector o afloran ensuperficie.

Zanjas: Excavaciones rectilíneas en trincheras, en general de pocaprofundidad, poco usada como captaciones y cuyo funcionamiento tienesimilitud al funcionamiento de los drenes y galerías.

Socavones: Excavaciones de forma variada en general de pocaprofundidad, sólo pocas ocasiones utilizadas como captaciones y cuyofuncionamiento pueden asimilarse al de un pozo de gran diámetro.

Pozos de drenes radiales: la obra consistente de un pozo revestidodel que salen drenes horizontales en varias direcciones. El conjunto actúacomo un pozo de gran diámetro. Es un tipo de captación de gran interésen determinados casos.

Manantiales: Un manantial puede definirse como un punto o zonade la superficie del terreno en la que, de modo natural, fluye a lasuperficie una cantidad apreciable de agua, procedente de un acuífero oembalse subterráneo. Los manantiales son, pues, a modo de aliviaderos odesagües por los que sale la infiltración o recarga que reciben losembalses subterráneos.

Drenes y galerías

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Investigación y exploración

El valor del recurso y los avances técnicos y científicos han hechocada vez más necesario que la investigación y explotación de las aguassubterráneas sea realizada por equipos pluridiciplinares. Así, actualmentees habitual la colaboración con los hidrogeólogos de otros técnicos enmateria directamente relacionada con el agua subterránea, tanto en suvertiente más teórica como es el caso de los especialistas en hidráulica,geología, química, etc., como desde el lado del gestor o usuario(ingenieros agrónomos, especialistas en geotecnia, urbanismo y derecho,etc.

La investigación que se realice para efectuar el proyectoaprovechamiento de un acuífero debe centrarse en los siguientesaspectos:

Formaciones geológicas y posibilidades de explotación: no todaslas formaciones geológicas tienen la misma capacidad de almacenaragua, y de la que si la tienen algunas las “ceden” con dificultad. Por otraparte hay que considerar las limitaciones de los equipos de perforacióndisponibles, sobre todo en cuanto a profundidad, e incluso de los propiosgrupos de elevación de agua.

Calidad de Agua: La hidroquímica del agua condiciona su utilidaden función de su potabilidad en el caso de los abastecimientos, y de lastolerancias de los cultivos en el caso de los regadíos.

Definición de los recursos explotables: El estudio hidrogeológicodebe llegar a la definición de los recursos explotables, entendiendogenéricamente como el volumen extraíble por año hidrológico sin riesgode agotamiento progresivo del recurso.

Estudio socioeconómico: Cuando en un abastecimiento de agua seplantean diversas opciones de fuentes de aguas superficiales ysubterráneas, los criterios socioeconómicos pueden ser definitivos.

Evidentemente cada entorno geológico, contexto geográfico ysocioeconómico, o simplemente la dimensión del problema que intentaabordarse condicionaran la disponibilidad de los medios técnicos ymateriales con que se aborden cada investigación concreta.

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Sería entonces necesaria la recopilación de datos de los estudiosanteriores en especial los estudios geológicos e hidrológicos queproporcionen información mas localizada y concreta de la zona objeto dela investigación. Dicha información se puede obtener de organismospúblicos y empresas privadas dedicada ala investigación y a laprospección tanto del agua como de los otros recursos subterráneos. Unavez recopilada y analizada la información contenida en los trabajosprecedentes se planteará la campaña de investigación en campo.

En entorno geológicos complejos o en aquellos en que ladisponibilidad de información del subsuelo es muy escasa, la ubicación delos sondeos y la estimación de los recursos hídricos pueden encontrar unimportante apoyo en la aplicación de técnicas geofísicas. Es necesaria laintervención de un geólogo que analice las distintas interpretacionesposibles eligiendo el modelo que mas se adecue a cada entornogeológico concreto.

Prospección Geoeléctrica

Posiblemente la técnica de investigación geofísica universalmentemás conocida es la Prospección Geoeléctrtica, sobretodo en su variantemás usual: los sondeos eléctricos verticales o S.E.V.

El parámetro físico en cuya medida se basa esta técnica es lareceptividad eléctrica, es decir, la resistencia que opone un material alpaso de la corriente eléctrica, medida por unidad de longitud, a través deuna unidad de sección transversal. Se expresa en ohmnios metros ydepende de la porosidad del material del grado de conexión entre losespacios abiertos y del volumen y conductividad del agua presente en losporos.

En cuanto a los dispositivos utilizados, básicamente tienen porobjeto emitir una corriente eléctrica y medir diferencias potenciales entredos polos. Los más usados son los cuatripolares especialmente el deSchlumberger y el de Wenner.

La interpretación se realiza con una serie de ábacos de curvas ymas modernamente mediante programas de informáticos y nos permitencierta focalización de un perfil vertical de profundidades / resistividades.Puede alcanzar profundidades de investigación de hasta 1500Mts ymáximas de 6000Mts

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Prospección Electromagnética

Las técnicas de prospección electromagnéticas se basan en medirla perturbación producida en una señal electromagnética (EM) a su pasopor el subsuelo. Existiendo dos modalidades: EM en dominio defrecuencias y EM en dominio de tiempos.

La capacidad de penetración de las ondas electromagnéticasdepende por una parte de su frecuencia y por otra de las característicasde las formaciones del subsuelo. Así, las de alta frecuencia (más de100Mhz) llegan a escasas decenas de metros, mientras que a bajasfrecuencias pueden alcanzar centenares de metros.

De los dispositivos más utilizados y el más extendido es el que seconoce bajo la denominación de sondeos electromagnéticos en el dominiode tiempos o S.E.D.T. La medición de los campos magnéticossecundarios asociados a dichas corrientes permite detectar diferentesmateriales a distintas profundidades.

Las ventajas de este sistema frente al tradicional S.E.V. son poruna parte menor vulnerabilidad a discontinuidades laterales y por otra su

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mayor comodidad operacional. Sin embargo son equipos más costosos yprecisan mayor especialización para su manejo.

Prospección Gravimétrica

La gravimetría es la medida y el estudio de la intensidad del campogravitatorio, y esta basada en la medida de la aceleración g. Lasvariaciones locales en la medida del campo gravitatorio tienen su causaesencialmente en la presencia de formaciones geológicas de distintasdensidad y/o espesor.

La toma de datos en sí puede realizarse mediante dispositivos detipo péndulo, gravímetro y balaza de torsión. La unidad de medidas engravimetría es el Gal. (Galileo) que corresponde a una aceleración de uncentímetro por sec 1cm/s2.

La gravimetría es una técnica geofísica especialmente indicadapara definir el esquema geológico estructural de una zona concreta, Sinembargo no tiene mucha utilidad para estudios de detalles. Es importantecombinarlas con otros métodos de prospección geofísica.

Prospección Sísmica

Los métodos de prospección sísmica se basan en la medida de lapropagación, controladas por las leyes de reflexión y refracción de lasondas sísmicas en el suelo. Dentro de las ondas sísmicas se distinguenlas longitudinales las transversales y las de superficie (Rayleigh y Love).La velocidad de propagación de las ondas transversales es del orden dela mitad de las longitudinales, mientras que las de superficies son aúnmás lentas. Las velocidades dependen de las características de cadamaterial geológico, Y al llegar a una discontinuidad sea estructural oestratigráfica sufren alteraciones en su velocidad, al tiempo que sonafectadas por reflexión y refracción cuya información pueden recogersecon detectores (geófonos).

Dichas ondas se generan artificialmente mediante percusiones oexplosivos. Los métodos más utilizados son los de reflexión y de fracción.

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Sistemas Aerotransportados de Geofísica

En campañas de investigación para zonas de gran extensión odonde existan dificultades para el acceso se pueden utilizar técnicasgeofísicas aerotransportadas operadas desde aviones o helicópteros ycon medida de:

- Magnetometría.

- Electromagnéticos (EM), multifrecuencia ymultigeometría

- Electromagnéticos de muy baja frecuencia (EM VLF)

Obteniéndose con estos sistemas mapas de campos magnéticos,gradientes magnéticos, isorresistividades aparentes, etc.

Sondeos de Investigación

Antes de enfrentarse alas inversiones que supone la perforación delos sondeos de explotación y, en general, toda la estructura deelectrificación, construcciones, etc; es esencial confirmar las expectativasque se derivan en el estudio hidrogeológico-geofísico mediante sondeosde investigación. Básicamente este tipo de sondeo puede aportar gran

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cantidad de información relativa a la geología estratigráfica y estructuralde la zona, confirmando y/o ajustando las hipótesis de los estudiosrealizados. Podrá aportar incluso datos sobre la porosidad, fracturación yotras características importantes para la evaluación del potencialhidrogeológico de las formaciones.

Sin embargo, al no permitirnos efectuar ensayos de bombeocompletos, quedará muy limitada nuestra capacidad de evaluar losparámetros hidrogeológicos de las formaciones acuíferas y enconsecuencia, de definir su potencialidad.

La toma de muestras debe estar lo menos alterada posible, suanalítica y conservación permitirán caracterizar geológica ehidrológicamente las formaciones perforadas.

Testificación.

La testificación se puede hacer de varias maneras y obtenerdiferentes parámetros. Entre ellos están:

Testificación eléctrica: que permite la identificación y definición delas cuotas de las perforaciones acuíferos, mediante la medición de laresistividad y el potencial eléctrico. Suelen utilizarse para esta testificaciónsondas de dos y tres electrodos, de cinco electrodos (microlog) y hastaunipolares llamadas de potencial espontáneo.

Testificación radioactiva: estos sistemas están basados enregistros de radioactividad natural e inducida. Suelen utilizarse los derayos gamma, rayos gamma-gamma y de neutrones. Estos sondeospueden realizarse en pozos ya entubados inclusive y permiten conoceralgunas características de las formaciones midiendo los niveles deradioactividad natural.

Testificación acústica: La testificación acústica se basa en elregistro de las variaciones de la velocidad de propagación, atenuación ydistorsión de las señales acústicas, a lo largo de un perfil geológico.Pueden obtenerse datos de la estructura de las rocas, su litología y suporosidad.

Testificación de diámetros: llamada Cáliper, cuando se utiliza ensondeos sin entubar, o previamente a su entubación, puede proporcionarinformación sobre la presencia de niveles de arcilla “inchables”,

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desplomes parciales y zonas con cavidades. En sondeos ya entubados,se podrá situar las cotas de soldadura, reducciones etc.

Testificación Termométrica: el registro de las variaciones de latemperatura del agua a lo largo del sondeo puede aportar datosinteresantes sobre las características, procedencia e interrelaciones entrelos distintos acuíferos captados.

Micromolinete (flowmeter): La testificación con micro molinete tienepor objeto la detección de flujos verticales en el interior de los sondeos.Con este registro pueden identificarse las interrelaciones entre losdistintos acuíferos captados, en consecuencia, llegar a una evaluaciónrelativa de sus potencialidades hidráulicas (presión hidrostática,caudales).

Testificación con televisión: La aplicación mas conocida de estosequipos es el reconocimiento visual del interior del revestimiento de lossondeos, tanto para constatar su correcta construcción como paracontrolar los problemas de deterioro, accidentes mecánicos o presenciade relleno.

Evaluación de acuíferos mediante bombeo

El ensayo de bombeo es una técnica analítica utilizada para laevaluación de acuífero y la evaluación de captaciones. Respecto alacuífero, con los ensayos de bombeo se determinan las propiedadeshidráulicas del agua y de la roca que la contiene. Esencialmente:magnitud de la permeabilidad o conductividad hidráulica (K), de latransmisividad (T), y del coeficiente de almacenamiento (S). También sepuede comprobar el grado de comunicación del pozo bombeado con otrospróximos, la extensión del acuífero, la existencia de bordes impermeablesy zonas de recarga, etc.

Tipos de ensayos de bombeo:

- Régimen permanente: el acuífero actúa como transmisor de unarecarga y no se toma agua de almacenamiento. El nivel no varíacon el tiempo.

- Régimen variable: en este caso el agua extraída se toma parcialo totalmente del almacenamiento. Podrá ser a:

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- Caudal constante: la variable de control es el nivel deagua y el caudal de bombeo se regula para quepermanezca constante.

Prueba en descensos.

Prueba en recuperación

Prueba bombeos escalonados

- Nivel constante: Cuando la variable que se controla esel caudal, actuando sobre él para que se mantengainvariable el nivel del agua.

Bombeos a caudal crítico

Bombeos a nivel constante y caudal variable.

Si se considera un pozo que lleve bombeando un tiempo largo, lasuperficie piezométrica adopta la forma de un cono invertido o embudoen cuyo centro se sitúa el pozo. El efecto primario del bombeo es producirun descenso del nivel del agua a fin de establecer un gradiente hidráulicoque ponga en movimiento el agua hacia la captación. Si no se producedescenso no puede crearse el gradiente necesario para que el agua sedirija a la captación.

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En el pozo, el agua debe penetrar por una superficie cilíndricarelativamente pequeña y por lo tanto se precisa un gradiente importantepara que de acuerdo con la ley de Darcy exista un flujo igual al caudalbombeado. Por cualquier cilindro concéntrico el pozo debe pasar la mismacantidad de agua pero como la superficie de los mismos aumenta enproporción directa al radio, el gradiente preciso para establecer el flujo estanto menor cuanto mas lejos del pozo, lo cual justifica la forma delembudo de descenso. Un razonamiento similar puede hacerse para unacaptación horizontal resultando entonces la formación de un valle odepresión longitudinal en la superficie piezométrica, cuyo punto mas bajocoincide con al captación.

En el caso de introducir agua en un acuífero mediante un pozo ouna captación horizontal, se tiene el fenómeno inverso al descrito,formándose un domo o una cresta respectivamente.

Modelos para acuíferos confinados y régimen permanente

La forma de simplificar al máximo la ecuación diferencial del flujosubterráneo consiste en suponer que se ha alcanzado el régimenpermanente, y además el acuífero es perfectamente cautivo.

En esta situación el termino (S/T) (∂h/∂t) de la ecuación general dedescensos será nulo.

Si se supone que en el sistema pozo acuífero se cumplen concierta aproximación las siguientes condiciones:

- Se ha alcanzado el régimen permanente porque se hainducido una recarga desde el exterior en un volumen deidéntica proporción al del bombeo, casualidad pocoprobable y difícil.

- El caudal de bombeo es constante.

- El acuífero es homogéneo isótropo, de espesorconstante, base horizontal y de extensión infinita.

- El pozo de bombeo es de diámetro infinitesimal.

- La superficie piezométrica es horizontal

- El flujo es radial, simétrico y horizontal.

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- Las superficies equipotenciales son cilindros verticales desección circular y concéntricos con el pozo.

- El coeficiente de almacenamiento es constante.

- El pozo es completo atraviesa toda la formaciónpermeable y esta perfectamente ranurado a través detoda la potencia del acuífero.

- No existen perdidas de carga de penetración de agua enel pozo.

Se llega a la ecuación de Thiem (régimen permanente acuíferosconfinados). La cual permite obtener el descenso en cualquier punto delembudo de bombeo y relacionar depresiones, caudales, transmisividad odistancia al punto de bombeo, según convenga:

S = [Q/ (2πT)] Ln(R/r) = 0.366 (Q/T) log (R/r)

s es el descenso en el punto de observación

Q es el caudal de bombeo constante

T es la transmisividad del acuífero

R es el radio de acción o de influencia

r distancia del eje del pozo al punto de observación.

Para conseguir T y R, teniendo piezómetros, existe unprocedimiento gráfico.

Modelos para acuíferos confinados y régimen variable

Dentro del régimen variable la situación mas simple corresponde ala de un acuífero perfectamente cautivo, en el que no se producedesaturación y el flujo es perfectamente radial.

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Método de Theis

Con las limitaciones de contorno expuestas para el régimenpermanente en acuíferos cautivos y si además no existen recargasexteriores a lo largo de la prueba y se parte en el inicio de una de lascondiciones de reposo, la ecuación general se transforma en la formulaTheis.

d es el descenso de un punto situado a la distancia r del pozo delbombeo.

Q es el caudal de bombeo constante

T transmisividad

S es el coeficiente de almacenamiento

t es el tiempo transcurrido a partir del inicio del bombeo

u es la función auxiliar cuyo valor es

u = (r2S)/(4Tt)

La integral de la formula se le denomina función del pozo, W(u), yno tiene solución analítica pero se ha resuelto por aproximación y seencuentra representada en función de 1/u en la siguiente gráfica

( ) ( )[ ]uWTQdu

ued

u

u

π4πΤ4Q

== ∫∞ −

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Midiendo los descensos en función del tiempo a caudal constante yconocido, los valores de T y S pueden obtenerse por manipulación gráficade las formulas anteriores (método de Brown).

Método de Jacob.

Para valores de u inferiores a 0,03 (0,1 en la práctica), la funcióndel pozo W(u) puede aproximarse mediante desarrollo en serie a

W(u) ≈ ln(o,562/u)

Quedando la formula de Theis transformada en

d = [Q/(4pT)]ln[2,25Tt/(r2S)]

haciendo

r2S/(2,25T)= to

La misma formula también puede escribirse de la forma:

d = 0,183 (Q/T) log t – 0,183(q/T) log to

Expresión en la que tomando d como función y log t como variable,resulta ser de la forma:

Y = mx + n

Siendo por tanto una recta para cada punto de observación, en laque la pendiente sería:

m = Dd = 0,183 (Q/T)

De modo que para hallar la transmisividad T, basta calcular lapendiente. Para calcular el coeficiente de almacenamiento S solo hay quemedir el valor de t en el punto donde la recta corta el eje de las abscisas.

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Modelos para semiconfinamiento y régimen variable

Método de Hantush

El efecto de un bombeo en un acuífero semiconfinado simple esuna tendencia rápida del perfil de descensos hacia la estabilización. Es uncaso particular de recarga, por goteo vertical a través de la formaciónsemipermeable.

Si además de las hipótesis admitidas para acuíferos cautivos enrégimen variable se cumplen las siguientes condiciones:

- El acuífero superior tiene capacidad de almacenamientosuficiente para mantener la recarga vertical constante.

- Si el potencial hidráulico es el mismo para el acuíferosuperior e inferior.

- Al bombear el acuífero inferior se deprime su potencialhidráulico creándose un gradiente con el acuíferosuperior, por lo que se establece un flujo (goteo) a travésde la formación semipermeable.

La formula que define el fenómeno es la de Hantush:

d = [Q/(4pT)]W(u,r/B)

siendo

u = r2S/(4Tt) y B el factor de goteo B= [Tb’/K’]1/2

donde

b’= espesor semipermeable

K’ = permeabilidad vertical de la formación semipermeable

El modo operativo es muy similar al de Theis, además sobre elcoeficiente de almacenamiento (S) se deben tener en cuanta las

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consideraciones expuestas para acuíferos cautivos por el método deTheis.

Modelos para acuíferos libres y régimen variable

Los acuíferos libres dan origen a problemas difíciles de analizar enhidráulica subterránea, ya que:

- El flujo deja de ser radial y simétrico a medida que sevuelve mayor el descenso.

- La velocidad de liberación del agua se va haciendo máslenta.

- La transmisividad variara con el descenso.

Existen métodos de aproximación que tienen en cuenta algunos deestos efectos por separado, pero no existe una teoría integradasatisfactoria.

Hoy en día existen numerosos productos informáticos parainterpretar ensayos de bombeo incluyendo una variada gama de modelosde acuíferos. El modo operativo que suele utilizar, ligeramente diferente almanual, consta de los siguientes pasos:

- Se introducen en el programa las variables observadas:valores t – d, Q, distancia al pozo de bombeo, longitud dela zona filtrante, espesor del acuífero, etc.

- Se elige el modelo que mejor pueda definir laspropiedades hidráulicas y físicas de nuestro acuífero.

- Se dan valores a las variables del modelo por tanteo y semuestran en pantalla, superpuestas, la curva calculadadel modelo y la observada.

- Se comprueba el grado de encaje entre ambas.

- Se vuelve a realizar un nuevo tanteo dando nuevosvalores a las variables, hasta que las curvas sean casicoincidentes y posean la misma pendiente. Una vez quese ha conseguido una buena aproximación, el programapuede ir ajustando progresivamente la curva patrón a la

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observada mediante progresiones sucesivas (mínimoscuadrados entre la curva patrón y la observada). Algunosprogramas suelen ofrecer, adicionalmente, otras posiblessoluciones.

Estos programas son realmente útiles, puesto que permiten realizarinterpretaciones rápidas y cómodas, pero solo deberían usarse con unbuen conocimiento de los modelos y de las propiedades hidráulicas yfísicas del acuífero bombeado.

Curvas características del pozo

Conociendo los descensos ocasionados por distintos caudales debombeo, cuando se ha alcanzado el régimen permanente se puedeobtener:

- Representaciones que los relacionen llamadas curvascaracterísticas del pozo.

- La ecuación general de descenso del pozo, la cualpredice el descenso originado para cualquier caudal debombeo.

Si los descensos en el pozo no tienden a estabilizarse, porque elacuífero es volumen limitado y el nivel estático varía a lo largo de laprueba, no tiene sentido obtener la curva característica ni la ecuacióngeneral.

Se entiende por curva característica de un pozo, la representacióngráfica del caudal en función del descenso (Q - d) para el que se consiguela casi estabilización del nivel.

Si el acuífero es perfectamente cautivo y no pasa a libre durante elbombeo, el caudal es directamente proporcional al descenso y sus curvascaracterísticas teóricas serian las etiquetadas con (1) en la figura.

Cuando el acuífero es libre o en lo inicialmente cautivos que porbombeo pasan a ser libres se obtendrían curvas teóricas similares a lasnumeradas con (2) en la figura.

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La ecuación general de descenso del pozo

Es la conocida fórmula de Rodabaugh:

d1 = AQ + BQn

donde el término AQ representa el descenso teórico, es decir, eldescenso previsto basado en la ley de Darcy.

El coeficiente A se obtiene de la formula de Jacob:

A = 0.183 (1/T) log [2,25Tt/(r2S)] (días/m)

El término BQn representan las pérdidas de carga no contempladaspor el modelo teórico, debidas a: la entrada del flujo al pozo y lainterferencia con las costras de lodo por su posible acumulaciónprocedente de la perforación, superación del régimen laminar, etc. Susunidades son (días2/m5). El exponente n debe estar entre 1 y 3,5.

Para conocer los coeficientes A y B el exponente n en la ecuacióngeneral de descensos, es necesaria al menos una terna de valores de Q –d para poder resolver el siguiente sistema de ecuaciones.

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d1 = AQ1 + BQ1n

d2 = AQ2 + BQ2n

d3 = AQ3 + BQ3n

Sistemas de Perforación para Captación de AguasSubterráneas.

En épocas antiguas el hombre realizaba pozos con herramientaspoco sofisticadas con las cuales lograba llegar alrededor de 50 metros deprofundidad con varios metros de diámetro, tiempo después los egipcios ylos chinos lograron desarrollar técnicas con las que lograban mayoresprofundidades, sin embargo, no fue sino hasta finales del siglo pasadocon la aparición de la perforación por rotación que se avanzodefinitivamente hacia una captación de las aguas subterráneas. Hoy endía con equipos especiales y bajo mejores condiciones se ha logradoperforar varios miles de metros de profundidad.

Se pueden clasificar los sistemas de perforación dependiendo delmecanismo empleado para romper y disgregar cada formación geológicao del mecanismo que prevalezca en cada perforación, ya que, se puedencombinar varios en una sola perforación. Entre los más utilizados están:

Sistemas de Perforación a Percusión

Sistemas de perforación a rotación

En este libro solo se describirán los sistemas de perforación yanombrados pero evidentemente existen mas sistemas de perforacióndisponibles en el mercado como lo son: las barrenas helicoidales,perforación con corona, perforación con aire comprimido, con martilloneumático, perforación ha rotopercusión, etc.

Sistemas de Perforación a Percusión

Este sistema se basa en golpear repetidamente la roca o materialpresente por medio de un material pesado hasta lograr su rotura odisgregación. Se presentan variables: percusión con varillas continuas ymacizas (canadiense) y a través de cable de acero (pensilvaniense), delos cuales el segundo es el más utilizado.

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Perforación a percusión por cable

El Equipo esta constituido generalmente por:

Una plataforma montada en un chasissemitrailer auto soportante equipado con motores,carretes de cable, balancín, etc.

Un mástil o torre, constituido por una estructurade vigas soldadas, ya que soporta grandes esfuerzos.

Carretes/cabrestantes que aloja y arrastra elcable.

Cabina de mando ubicada por lo general en unlateral de la plataforma de manera de tener visibilidad dela perforación. En esta cabina se controla el motor, lacaja de cambios y el carrete de cables

Herramientas de perforación y Limpieza comotrépanos y válvulas, y herramientas varias parasoldadura, pesca y mazos de golpeo.

Por ser éste un método de perforación a percusión esta basado enel golpeo repetido con una herramienta pesada. El mecanismo quepermite que este movimiento sea uniforme en frecuencia y recorrido es elbalancín, lo cual es graduable desde la cabina de mando.

Las variables principales en para la perforación en función del tipode suelo son: El recorrido libre de caída del trépano y frecuencia delgolpeo, y el peso y geometría del trépano.

La sarta o batería de perforación consta de: trépano, barra decarga, giratoria, tijeras y cable.

Ventajas y desventajas del sistema de perforación por percusión:

- Sistema relativamente económico.

- Simplicidad de equipos y herramientas.

- Al no utilizar lodos en la ejecución se evita correr elriesgo de colmatación o contaminación.

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- Lamentablemente el avance es lento en comparación conotros sistemas de perforación.

- Se puede complicar la perforación con este sistema enterrenos poco consolidados.

Sistemas de perforación a rotación

En general, los equipos de perforación a rotación de sondeos deagua suelen ser de mayores dimensiones y más complejos que los depercusión por cable. No en vano muchos de estos equipos son versionesderivadas de las grandes perforadoras utilizadas en la exploración dehidrocarburos. Si se comparan con los equipos de percusión amboscoinciden en el tipo de plataforma, trailer o semitrailer, normalmente conmayor numero de ejes para mejor reparto de peso.

Entrando en la mecánica de perforación a rotación, como se haindicado, esta se basa en el corte por sizallamiento o desgaste porabrasión. Este efecto se produce en esquema mediante una herramientade corte combinando presión/peso sobre la formación, y un movimientorotativo, al poco tiempo que un fluido limpia, transporta y extrae losdetritus arrastrados.

Los principales parámetros que definen la perforación a rotaciónson:

- Peso aplicado sobre la herramienta

- Velocidad de rotación

- Característica de la herramienta

- Naturaleza y sentido de la circulación del fluido deperforación.

La mayor parte de los equipos, y sobretodo los de gran capacidad,derivados de equipos de petróleo, transmiten el movimiento rotativomediante mesas de rotación. Este elemento, de accionamientogeneralmente mecánico, lleva en su eje un hueco ajustado a la sección dela denominada barra de arrastre o barra Kelly. Estas mesas suelen serabatibles incluso totalmente desmontables para permitir las operacionesde entubación.

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Otro sistema es el cabezal de rotación, que consiste en unelemento de accionamiento mecánico–hidráulico que se desplaza a lolargo de la torre de perforación gracias a cilindros hidráulicos y/otransmisiones de cadena. Este sistema se instala en la mayoría de lasinstalaciones modernas.

La sarta o la batería de perforación consta de:

- Herramienta de corte (triconos, trialetas, policonos)

- Barras de carga o lastrabarrenas, varillas de considerablediámetro y gran peso.

- Varillaje; son transmisoras del movimiento y conductorasdel fluido de perforación.

- Barra de arrastre “Nelly”; varilla de sección cuadrada,hexagonal o circular de gran resistencia por ser de aceroaleado.

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Perforación a rotación con circulación directa y circulacióninversa.

Son dos variantes del sistema de rotación. Su principal diferenciaentre ambos radica en el sentido de circulación del fluido de perforación,el cual es un Lodo que es inyectado a alta presión desde el cabezal y bajapor el varillaje hasta el tricono. Entre las funciones del lodo están: larefrigeración y limpieza del tricono, y arrastras los detritus.

Cuando el diámetro de una perforación es grande, la velocidad dellodo en el anular comprendido entre la pared del varillaje y el terreno,resulta muy pequeña e insuficiente para elevar el detritus o ripio a lasuperficie, haciendo lenta y peligrosa la perforación. Pera obviar esteinconveniente, se ha puesto a punto, recientemente, la perforación arotación invirtiendo el sentido de circulación del lodo. Es decir, se le hacedescender por el anular citado y retorna por el interior del varillaje, que eneste método es de mayor diámetro. Tiene un efecto de aspiradora.

La diferencia principal de ambossistemas es que mientras el de circulacióndirecta precisa de una bomba, el de circulacióninversa utiliza un compresor.

Ventajas y limitaciones

- La inversa es menos agresivahacia las formaciones acuíferas al utilizar lodosmás ligeros y velocidades menores.

- La inversa no necesita variarlos diámetros de las varillas

- En terrenos pococonsolidados el sistema de rotación es masrápido que el sistema a percusión

- El sistema a rotación esdefinitivamente más costos que el sistema apercusión.

Tubería y filtro

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Una vez terminada la excavación del pozo se procederá alacondicionamiento final. Diámetros y tipos de tuberías, filtros, cotas en laque situar los tramos filtrantes, reducciones, etc., deberán serseleccionados por especialistas en función de los objetivos del sondeo,litología y características de la columna perforadora y posibilidadesmateriales.

Puesto que los diámetros de la columna de entubación finaldependerán de los de la perforación, queda patente la importancia deldiseño de los diámetros de la perforación y en lo posible ajustar losdiámetros a los del proyecto.

Los diámetros finales de entubación y especialmente de la cámarade bombeo, deberán dimensionarse de forma que se adecuen a lasprevisiones de los caudales de explotación, minimizándose las pérdidasde carga en el bombeo.

Se incluyen a continuación dos tablas de programas de entubación,relacionando los diámetros de perforación, entubación y caudales deexplotación previstos. La primera de ellas corresponde a lasrecomendaciones de la norma API, mientras que las segundas son de lacasa Jonson.

La selección del material de la tubería queda una vez más a laresponsabilidad del proyectista y dado que el peso de ésta en el coste esimportante se debe proponer las más adecuadas para las característicasconcretas de cada obra. Existen en el mercado diversos materialesusados como: acero de bajo contenido de carbono, acero inoxidable,PVC, bronce, etc. En cuanto al espesor estas se fabrican entre 4 y 10mm.

La colocación de la tubería debe realizarse en el menor plazoposible, para evitar derrumbes de las paredes y en los pozos excavadospor rotación deberá mantenerse la circulación de lodos durante lainstalación de la columna de entubación.

Los tramos filtrantes de la columna de entubación son sin duda lospuntos a los que mayor atención debe prestarse, su correcta elección serádecisiva en el rendimiento del pozo.

El filtro o colador de un pozo va acoplado a la parte interior del forroy permite la entrada del agua del acuífero al interior del sondeo.Generalmente se debe escoger un ancho de ranura tal que no pase másdel 70 al 90% del material del acuífero. En base a esta especificación,

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conociéndose el análisis granulométrico del material, se puedeseleccionar un filtro con un determinado ancho de ranura. En general lasranuras deben detener lo más cercano a 100% de la grava.

La velocidad del agua a través de la ranura no debe ser mayor de 5cm/s.

Diámetro de perforación

en pulgadas (“)24 20 171/2 121/4 81/2 61/4 41/4

Diámetro de perforación

en pulgadas (“)20 16 133/8 95/8 7 5 3

Caudal máximo (l/s) >100 60-100 30-60 15-30 5-15 <5

Diámetro óptimo de

tubería (cm)

Diámetro mínimo de

tubería (cm)

Diámetro máximo de

tubería (cm)

Caudal previsto de

bombeo (l/s)

15 DI 12,5 DI 10 <7

20 DI 15 DI 12 5-12

25 DI 20 DI 15 10-25

30 DI 25 DI 20 20-40

35 DE 30 DE 25 38-60

40 DE 35 DE 30 55-85

50 DE 40 DE 35 75-115

60 DE 50 DE 40 100-200

Entre los tipos de tubería filtro más utilizados en sondeos decaptación de agua se pueden destacar los siguientes:

- Tubería ranurada: se suele utilizar en sondeos depresupuesto bajo en los cuales se ranura, en campo, latubería con sierra de disco o soplete, dependiendo del

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material del tubo. Teniendo grandes desventajas debidosa la posible corrosión y baja eficacia en el filtrado.

- Filtros rasurados: Son tuberías generalmente de PVC quevienen ranuradas de fábrica, pudiéndose seleccionar ladensidad de las ranuras y sus dimensiones.

- Filtros troquelados: Este tipo de filtros se construyen apartir de la tubería metálica en las que se mecanizanunas aberturas de geometría generalmente rectangular ydispuestas longitudinalmente. Este tipo de filtro esprobablemente el mas utilizado, con un índice de áreageneralmente mayor al de los anteriores.

- Filtros de ranura continua: denominado también tipoJonson, consiste de un armazón de varillas metálicaslongitudinales en torno a las que se arrolla un hilo.Dependiendo del fabricante pueden venir en diferentesdiámetros, distribución de ranuras, etc.

Las tuberías de acero utilizadas como forro se van conectando, amedida que avanza la perforación con juntas de rosca o mediante elsoldado de sus topes.

Donde sea necesario se debe cementar sobretodo por razones deestabilidad y aislamiento, generalmente se realizan en el fondo delsondeo, entre tramos de distinto diámetro, etc.

Realizado ya la instalación de la entubación debe ejecutarse elsellado sanitario. Este consiste en impermeabilizar la parte superior delhueco hasta una profundidad de 6 o más metros dependiendo de lascaracterísticas de las aguas superficiales, para evitar que estas puedancontaminar el pozo. Generalmente se acostumbra a recubrir la tubería deforro desde la superficie del terreno hasta la profundidad fijada, con unanillo de concreto, o bien usar dos tuberías de forro y rellenar el espacioanular entre ellos.

Engravillado

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El engravillado tiene dos objetivos, por un lado mejorar laestabilidad del entubado y por otro mejorar las condiciones de deexplotación. La grava, por lo tanto, al rellenar el espacio entre la tubería yel espacio perforado evitará colapsos parciales o totales en la tubería y enlos filtros.

La colocación de unrelleno de gravaadecuadamente dimensionadoactúa a modo de prefiltro,dejando pasar las fraccionesmás finas y reteniendo lasarenosas, de esta forma sefacilita el desarrollo del sondeoy en consecuencia la mejora dela transmisividad en el entornodel sondeo. Sin embargo en elcaso de formaciones geológicasde gran estabilidad carentes defracciones finas, produciríaperdidas de carga innecesaria.

Para los engravilladosdeben utilizarse gravasheterométricas (bien gradadas),lavadas y calibradas con altoíndice de redondez yesfericidad, de cuarzo y concontenidos de material calcáreo

nunca superior al 5%.

El origen de la grava debe ser aluvial, nunca de machaqueo. Laselección de la granulometría dependerá del material presente en laformación perforada, teniendo que ser por tramo para así facilitar eltrabajo y combinar las distintas granulometrías de los estratos.

Lavado del pozo

Se aplica el lavado a los pozos construidos por el método derotación, para eliminar el lodo que queda adherido a las paredes delorificio una vez terminada la perforación. Este lodo obstruye parcialmentelos poros del acuífero y enturbia el agua. A tal efecto se recomienda en

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líneas generales los siguientes 3 procesos para efectuar la limpieza; losdos primeros antes del engravillado y el último después del engravillado.

- Una vez colocada la tubería y los filtros debe levantarseel conjunto uno o dos metros, debe mantenerse el pozolleno de agua y se conecta la tubería al “Kelly” y se poneen marcha la bomba que suministrará agua limpia, éstapasará por el tubo y los filtros subiendo por la parteexterior del forro, eliminando así, el lodo que pueda haberquedado en la formación.

- Otra manera, algo delicada, es introducir un tubo de 2 o 3pulgadas de diámetro entre el forro y el hueco de laperforación y luego bombear agua hasta que se desalojeun poco el agua sucia y lodo.

- Una vez colocado el forro, filtros y grava, se llena de aguay se introduce un pistón de caucho (madera y placa deacero) el cual se sube y se baja dentro del tubo del forro,desplazándolo hasta la parte superior hasta que el aguasalga limpia.

Desarrollo de los sondeos

Es el conjunto de operaciones que tienen por objeto tratar deestimular la producción de los sondeos, mejorando la permeabilidad yestabilizando las formaciones acuíferas situadas alrededor de cada tramofiltrante. La mecánica del desarrollo es bastante parecida al de lalimpieza. Sin embargo se han desarrollado mejores métodos para eldesarrollo. Además de los objetivos ya descritos, el desarrollo del pozominimiza la aparición de fracciones finas que puedan dañar el equipo debombeo y conducciones y evita o retrasa el fenómeno de envejecimientoproducto de las incrustaciones.

Clasificación

El criterio de clasificación se basa en si es acción física-mecánica oquímica. Los primeros realizan el desarrollo por medio de la agitación y elbombeo, mientras que los segundos se basan en el incremento de laporosidad/permeabilidad mediante la adición de agentes químicos que

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disuelven la roca y liberan las fracciones finas o bien dispersan los lodosarcillosos.

Desarrollo con pistón

Es el método mas utilizado cuando se realiza la perforación apercusión. Básicamente consiste en provocar un flujo vertical bidireccionalalternante que se traducirá en un efecto de inyección aspiración en el filtrode grava y en la formación acuífera alrededor del sondeo.

Consta de un pistón simple el cual realiza un movimiento de vaivénaccionado generalmente por el balancín del equipo de percusión. Elmovimiento debe suave y progresivo con amplitudes de vaivén de unmetro. Debe además controlarse la extracción del material que vadepositando en el fondo del sondeo.

La principal ventaja de este método es su simplicidad y bajo costo.En cuanto a las limitaciones, no se recomienda para formaciones pocopermeables o con fracciones muy finas.

Desarrollo por bombeo

Este sistema se basa en el aumento delas velocidades del flujo en el entorno delsondeo mediante el bombeo con bombasespeciales, frecuentemente equipos de bombasde eje vertical debido a que están sometidos afuerte desgaste.

Existen de este método variasmodalidades como lo son: El sobrebombeo, elbombeo alternante.

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Desarrollo por aire comprimido

En los sistemas de desarrollo neumático se consigue un efectoequivalente a la combinación de pistoneo y bombeo. Básicamenteconsiste en alternar fases de bombeo mediante “air lift”, con inyecciónbrusca de aire. Las variantes más conocidas son los métodos de cabezalabierto y cabezal cerrado.

El desarrollo con aire comprimido es bastante más eficaz que losanteriormente descritos. Las limitaciones del sistema se pueden referir alas derivadas del equipo necesario, especialmente al compresor de aire.En sondeos profundos la presión de aire para vencer la columna de aguaes tal que se precisa de compresores de alta capacidad.

Sistemas de obturadores semiestancos y estancos.

Empleando alguno de los sistemas descritos anteriormente enconjunto con una serie de dispositivos logran focalizar el efecto dedesarrollo en tramos concretos del sondeo. En esencia se trata de utilizarsistemas de doble obturador, entre los cuales se aísla parcial o totalmenteun tramo de filtro.

Existen dos grupos de obturadores: los semiestancos y losestancos (packers). Los primeros logran cierre parcial del tramo, mientrasque, los segundos logran el cierre prácticamente hermético del tramo

Desarrollo por inyección a alta presión (jetting)

Se basa en el lavado y desarrollodel sondeo con agua a alta presión.Lográndose velocidades del aguasuperiores a los 30m/s. Los valores depresión están entre 7 y 14 bar,dependiendo de las características de lastuberías y filtros.

Los inyectores suelen ser de aceroinoxidable y tiene un movimiento rotatoriouniforme y constante durante laoperación, al tiempo que sube y baja

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uniformemente. El desarrollo con jetting también se puede combinar conotros métodos para mejorar su eficacia. También puede incrementar suefecto añadiendo al agua que se inyecta agentes dispersantes,especialmente tripolifosfatos.

Sistemas de desarrollo por fracturación: hidrofracturación yexplosivos.

Los sistemas de desarrollo por explosivos e hidrofracturación sonlos recomendados para desarrollar los sondeos de acuíferos figurados ocarstificados, lo que permite la apertura de la red de fisuras mediante laaplicación de grandes presiones hidráulicas y así incrementa lainterconexión entre los conductos de circulación.

La hidrofracturación se realiza mediante bombas de inyección deagua a altas presiones, superiores incluso a los 100 bar, con ayuda desistemas packers. La complejidad de esta técnica, así como, el elevadoprecio de los equipos necesarios, limitan su aplicación.

Mientras que el desarrollo con explosivos consiste en ampliar la redde figuración mediante explosiones controladas en el interior del sondeo.Los explosivos más utilizados son los de tipo “plástico” con detonadoreseléctricos, por su facilidad de manejo.

La distribución y de las cargas de explosivos debe basarse en uncompleto estudio de los niveles preferentes a desarrollar.

Desarrollo químico

Los métodos de desarrollo y limpieza químicos se basan en laacción de ciertos químicos en la dispersión de fracciones arcillosas y de ladisolución de los carbonatos por soluciones ácidas. Entre los desarrollosquímicos mas utilizados están:

Desarrollo con polifosfatos

Los compuestos fosfatados hacen que las arcillas se dispersenpermitiendo que el cake de las paredes de la formación sea eliminado,también son muy efectivos eliminando fracciones arcillosas y limo

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arcillosas de las formaciones detríticas así como las arcillas en lasformaciones carbonatadas.

Entre los polifosfatos empleados, se pueden nombrar: pirofosfatotetrasódico, pirofosfato de sodio, tripolifosfato de sodio y el más versátil detodos el hexametafosfato de sodio.

La aplicación se suele realizar por medio de varios de losdesarrollos mecánico descrito como el pistoneo, inyección a baja presión,packers, etc.

Desarrollo por acidificación

La transmisividad de las formaciones fisuradas y/o carstificadasmediante la acción enérgica de los carbonatos con un ácido fuerte, alampliar, limpiar o interconectar los conductos de circulación preferencial.Además las variaciones de los equilibrios químicos entre las formacionescarbonatadas y el agua pueden desplazar la capacidad de disolución delos carbonatos y de esta manera, mejorar sustancialmente lapermeabilidad en el entorno del sondeo.

Se recomienda su uso en formaciones fisuradas y/o carstificadasde calizas y dolomías, y se no deben aplicarse en formaciones detrítico-carbonatadas (calcarenitas). Además se recomiendo realizar unalimpieza previa del sondeo con los métodos anteriormente descritos, paraeliminar fracciones finas que puedan disminuir la penetración del ácido.

La dosificación del ácido, dependerán de la propia composición dela formación carbonatada a tratar y del grado de fisuración. El ácidoclorhídrico es el producto más utilizado.

4.3.4- Contaminación del Agua Subterránea.

Uno de los mayores problemas que plantea el uso de aguassubterráneas es cuando estas se contaminan. La recuperación de lasaguas contaminadas es muy difícil y lenta no llegando a ser total. Portanto conviene tomar medidas preventivas para que la contaminación noocurra. Los acuíferos por la lenta circulación de las aguas y la capacidadde adsorción de los terrenos pueden tardar mucho en presentar la

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contaminación. Los acuíferos presentan un notable poder depuradorfrente a muchos contaminantes aunque tiene un límite dependiendo delagente contaminante.

El terreno puede retener materiales contaminantes temporal opermanentemente. Esta capacidad de retención tiene un límite y permitela acción de otros procesos purificadores. El agua contaminada tambiénes dispersada en el acuífero lo que supone un grado de mezcla. Si lacontaminación es extensa es importante esta disolución pero sonreducidos si se trata de una contaminación localizada como un vertido.

Fuentes y Mecanismo de Contaminación en las AguasSubterráneas

Los acuíferos reaccionan a la contaminación de distintas maneras,así como, distintas son las maneras en que se produce la contaminación.Los procesos de oxidación son importantes en la disminución decontaminación por compuestos orgánicos y nitrogenados, cuando haypoco oxígeno se producen fenómenos anaerobios en el que se reducennitratos y sulfatos y se producen otros compuestos como dióxido decarbono, metano, azufre... que pueden dar otro tipo de contaminación.

En general las diferentes fuentes y mecanismos de contaminaciónson los siguientes:

Contaminación Agrícola y Ganadera

En la agricultura se utilizan diversas sustancias que mejoran elrendimiento de la producción, pero que pueden afectar el medio ambiente,entre ellas están los nitratos, fosfatos y pesticidas en general. Los nitratosy fosfatos son muy útiles como fertilizante y los pesticidas pueden ser muyefectivos para eliminar plagas y salvar cultivos, pero fácilmente se infiltranen el suelo y pueden llegar en grandes cantidades a acuíferos, así como,a fuentes superficiales de agua. Hoy en día el problema de lacontaminación por nitratos, fosfatos y pesticidas esta bastantegeneralizado y es muy probable que se agrave en el futuro.

Se puede considerar dicha contaminación en la mayoría de loscasos como contaminación difusa.

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Contaminación de origen urbano

El agua subterránea se puede contaminar por filtraciones ensistemas de recolección, disposición y tratamientos de aguas residuales,por las fosas sépticas, pozos negros, fugas del sistema de alcantarillado.También los lixiviados procedentes de los rellenos sanitarios (basureros)que se infiltran en el terreno y pueden percolar hasta los acuíferos.

Al construir un pozo, el agua de un acuífero superior contaminado,puede percolar hasta el próximo contaminándolo. El sello sanitario, en lasuperficie de un pozo, en mal estado o mal diseñado puede dejardesprotegido al pozo de la contaminación superficial.

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Contaminación de origen Industrial

Contaminaciones puntuales debidas a vertidos industriales overtidos de hidrocarburos por algún accidente o rotura de conductos otanques de almacenamiento son ejemplo común de contaminación hídricade origen industrial.

Por otro lado, las actividades mineras en las que se lava mineral ose construyen balsas de lodos en las que se almacena el estéril puedenprovocar la contaminación de acuíferos si existieran filtraciones o lasbalsas sufrieran roturas.

Otras fuentes y mecanismos de contaminación podrían ser: lasaguas superficiales cuando sirven de recarga a los acuíferos, la intrusiónde aguas salinas (este tipo es importante en las regiones costeras), lalluvia ácida producto de la contaminación atmosférica también aportatóxicos a los acuíferos y las aguas superficiales sobretodo

Salinización de acuíferos e intrusión marina

Definición de conceptos. Orígenes

La situación actual en bastantes sectores del litoral es deexplotaciones intensas y discontinuas, ligadas sobre todo a las grandesaglomeraciones urbanas, que han roto en muchos casos el equilibriodinámico de las masas de agua dulce y salada en el subsuelo. A losfenómenos de progresión hacia el interior de la cuña de agua salada seles conoce genéricamente por intrusión marina.

Pero antes deentrar a describir ladinámica de esteproblema, hay quehacer ladiferenciación entredos conceptosfrecuentementeconfundidos: laintrusión marina y lasalinización deacuíferos.

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Bajo la denominación de salinización de acuíferos se englobantodos aquellos procesos, entre los que se incluiría evidentemente laintrusión marina, que conlleven un incremento del contenido en salesdisueltas en las aguas que limite o impida la continuidad de su uso. Porponer un ejemplo, la mezcla de un 2% de agua marina contaminaría elagua dulce de un acuífero de forma apreciable, con un 4% la degradaciónya sería suficiente para desaconsejar o limitar su uso, y a partir del 6% esprácticamente inútil para los usos habituales.

La salinidad se expresa normalmente como contenido en salestotales, aunque es bastante frecuente utilizar medidas más sencillas derealizar, como la conductividad eléctrica, o el contenido en ión Cl- (ión mássoluble).

Las principales causas de la salinización:

Existencia de agua marina antigua no expulsada, por flujomuy lento o falta de gradiente hidráulico en formacionespoco permeables.

Aspersión marina en franjas ventosas próximas al litoral.

Concentración de agua de lluvia por evaporación en lasuperficie del terreno o en la parte superior del suelo,cuando el clima es árido.

Evaporación del agua subterránea en zonas de descargaencharcadizas (humedales), sometidas a intensaevaporación.

Disolución de sales evaporíticas existentes en lasformaciones acuíferas, que más comúnmente son yesos ylas sales asociadas.

Desplazamiento de aguas subterráneas salinas existentesen ciertas formaciones profundas, bien sea de forma naturalo inducida por la explotación de agua subterránea.

Infiltración de excedentes de riego, en clima árido o cuandose utilizan aguas con elevada salinidad.

Procesos de contaminación que producen salinidad como:

o Aguas de drenaje y agotamiento de minas, enespecial de sal y potasa.

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o Aguas de lavado de escombreras salinas.

o Fugas de sistemas de refrigeración con agua salina.

o Fugas de procesos que usan aguas salinas.

o Efluentes de plantas de ablandamiento ydesmineralización por intercambio iónico, y delrechazo de plantas desalinizadoras, o intensaevaporación del agua de industrias.

o Deshelado de carreteras con sal.

Volviendo de nuevo al caso concreto de la salinización de acuíferospor intrusión marina, en los siguientes apartados nos centraremos en lasintomática, problemas asociados, sistemas de detección y posibilidadesde corrección.

No entraremos, en cambio, en los complejos desarrollosmatemáticos para calcular la penetración y morfología de la cuña salina,que el interesado podrá encontrar en varias de las publicacionesespecíficas que se mencionan en la bibliografía.

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Corrección y lucha contra la intrusión marina

Por ello, cualquier actuación correctora de los procesos de intrusióntendrá que orientarse hacia la búsqueda de una situación de equilibrioaceptable para el uso del acuífero, evitando su invasión por aguassalinas. En este grupo incluiríamos aquellas medidas orientadas a laexplotación racional y controlada del acuífero, como son la redistribucióntemporal y espacial de las extracciones y la recarga artificial.

Con los dispositivos de recarga artificial, podría contarrestarseparcial o totalmente el efecto de las extracciones, limitando la intrusión oincluso corrigiéndola.

Otro grupo de medidas serían las obras destinadas al control físicoy/o hidráulico de la intrusión, como las barreras físicas y las barrerashidráulicas, que pueden ser de bombeo o de inyección.

Recarga.

Es el volumen de agua que entra en un embalse subterráneodurante un periodo de tiempo, a causa de la infiltración de lasprecipitaciones o de un curso de agua. Es equivalente a la infiltracióneficaz.

Descarga natural es el volumen de agua que en un periodo detiempo sale del embalse subterráneo a través de los manantialesterrestres, fluviales o submarinos y también por evapotranspiración, si lazona saturada queda próxima a la superficie en ambas áreas.

Recarga Artificial de Acuíferos

La recarga artificial de acuíferos permite a través de una serie detécnicas la introducción de manera directa o indirecta de agua en unacuífero y así incrementar la disponibilidad de recursos hídricos y actuarsobre su calidad.

Las aplicaciones de la recarga artificial de acuíferos son:almacenamiento subterráneo de escorrentías superficiales no reguladas,reducción o eliminación del descenso piezométrico (nivel del acuífero),mantenimiento hídrico de enclaves ecológicos o medioambientales,reducción de coste de bombeo o transporte, disminución o corrección de

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intrusión marina, y disolución del excesivo contenido en nitratos, clorurosu otros constituyentes químicos de las aguas.

El mayor problema con que se enfrenta la recarga artificial deacuíferos es la colmatación, entendiéndose por tal el proceso deacumulación de materiales sobre la superficie de infiltración del agua. Suefecto es la reducción de la capacidad de recarga. La colmatación puededeberse a efectos mecánicos, actividad biológica y procesos químicos.Por tanto es necesario programar sistemas de limpieza y descolmatadode las instalaciones.

Los dispositivos de recarga mas usuales son los siguientes:

- Zanjas y Surcos: Es uno de los métodos mas sencillos yconsiste en hacer circular agua por unos surcos o zanjas deescasa profundidad. La principal desventaja del sistema es queocupa una gran superficie en relación al área efectiva derecarga.

- Balsas: Son los sistemas de mayor usa para la recarga deacuíferos. Generalmente esta constituido de varias balsasexcavadas conectadas entre si que se rellenan de agua paraque se infiltre, recomendándose 1.2 m de profundidad para noproducir compactación. El agua suele pasarse pordesarenadotes para luego alimentar las balsas. Los dispositivosde este sistema son relativamente económicos y sencillos deconstruir y mantener.

- Varios: Existen oros sistemas de recarga de utilización menosextendida. En los acuífero detrítico libres de alta permeabilidadpuede efectuarse la recarga mediante fosas excavadas devarios metros de profundidad. Otro sistema usado es el deacondicionar el recorrido del cause de un río de manera de darleal agua mas tiempo y espacio de contacto con el suela paramejorar la infiltración.

- Sistemas de recarga en profundidad / sondeo: este sistemaconsiste en la inyección de agua al acuífero a través debombeos, es un método idóneo para acuíferos profundos,además que tiene la ventaja de no ocupar espacio.

Entre el equipo necesario están los filtros para el agua que esintroducida. Aunque es recomendable que el sondeo se

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construya para la recarga, se puede utilizar un sondeo queoriginalmente era para la captación.

La inyección de agua en los sondeos de recarga puederealizarse por gravedad o a presión.

La recarga artificial de acuíferos es una práctica sumamenteeficaz cuando se aplica con profesionalidad.

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