Fuentes de Abastecimiento

APUNTES DE INGENIERÍA SANITARIA I FUENTE DE ABASTECIMIENTO Y OBRAS DE CAPTACION

Ing María Elena Baldizón Aguilar. Dpto de Hidráulica - FTC-UNI-RUPAP

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3.0 FUENTE DE ABASTECIMIENTO Y OBRAS DE CAPTACION 3.1 INTRODUCCIÓN: La fuente de abastecimiento de agua constituye el elemento primordial de carácter condicionante para el diseño de los demás elementos de un sistema de Agua Potable, de forma tal, que para proceder a la secuencia de diseño de todos dichos elementos se requiere haber establecido previamente su localización, tipo, capacidad, y la caracterización cualitativa del agua a ser entregada. 3.2 TIPOS DE FUENTES:

Recordando el ciclo hidrológico del agua, de acuerdo a la forma en que se encuentra en la naturaleza, las distintas fuentes de provisión de agua, son las siguientes:

1. - Aguas atmosféricas: Aguas de lluvia. 2. - Aguas Superficiales: Corrientes: Ríos, Arroyos y Quebradas. Estancadas: Lagos,

Lagunas, Quebradas, etc. 3. - Aguas Sub-Superficiales: Manantiales, Afloramientos. 4. - Aguas Subterráneas: Acuíferos 3.2.1 Aguas atmosféricas: Las aguas de lluvia están menos expuestas a la contaminación con bacterias y parásitos, no constituyen fuentes de aprovechamiento constante, deben colectarse en épocas de lluvia y almacenarse durante el verano. (las primeras aguas deben desecharse) 3.2.2 Aguas Superficiales: Provienen en gran parte del escurrimiento, pueden recibir aporte de manantiales. Están sometidas a la acción del calor, la luz, estos pueden ser contaminadas por el vertido de ciertos afluentes cargados de sustancias orgánicas.(figura 3.1)

Figura 3.1 Agua superficial y subsuperficial



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Clasificación de las Fuentes Superficiales.

a) Sin regulación de caudal:

Son aquellas donde el caudal mínimo observado en el período de registro disponible es superior al consumo de máximo días correspondientes al período de diseño.

b) Con regulación de Caudal: Son aquellos donde el caudal mínimo observado no es suficiente para satisfacer la demanda de diseño, pero cuyo régimen de caudales permite almacenar, mediante represamiento de agua en épocas de crecidas, la cantidad suficiente para compensar el déficit en época de estiaje (seca).

Los métodos más comunes para determinar el caudal en fuentes superficiales es realizar los aforos, mediante los métodos de molinete hidrométricos, vertederos, flotadores y trazadores químicos. Estos métodos se utilizan principalmente en la medición de ríos o cauces; y el balance hídrico que sirve para determinar los caudales teóricos máximos, mínimos y flujo base de ríos, o para calcular las masas de agua en lagos, lagunas y embalses.

3.2.3 Aguas sub-superficiales:

El agua que se infiltra en el subsuelo y que al desplazarse a través de los pozos de los manantiales subterráneos y que por sus elevaciones o pendientes pueden reaparecer en la superficie en forma de manantiales. (figura 3.1)

Pueden constituir una solución para el caso de pequeñas localidades rurales, siempre que tengan caudal suficiente y calidad adecuada. La captación debe estar adecuadamente protegida. El manantial será tanto más seguro como cuanto menos variable sea su caudal, influenciado este por el régimen de lluvias y menos alterable sea la calidad del agua. 3.2.4 Aguas subterráneas: Las aguas subterráneas son aquellas que se han filtrado desde la superficie de la tierra hacía abajo por los poros del suelo a través de la gravedad, hasta que alcanza un estrato impermeable. Podemos distinguir 2 tipos de fuentes subterráneas distintas según la posición del agua en el suelo, una superior no saturada, llamada zona de aireación o vadosa y otra inferior, saturada de agua. La superficie que separa la zona de aireación de la zona saturada se denomina nivel freático. Este nivel fluctuará verticalmente a lo largo del tiempo. En la figura 3.5 se muestra la distribución del agua Aguas freáticas o de primera napa: Pueden utilizarse cuando constituyen la única fuente económicamente utilizable. Su nivel oscila bastante y está directamente influenciado por el régimen de lluvias. Su calidad es variable y aunque física y químicamente sea aceptable existe siempre el peligro de



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contaminación microbiológica. Por ello de resolverse su utilización habrás que hacerlo mediante pozos excavados o perforados a los que se deberá protegerlos adecuadamente contra la contaminación superficial, manteniendo estricto control bacteriológico del agua de consumo. Aguas subterráneas profundas: Las aguas subterráneas profundas Son todas las aguas que se infiltra profundamente y que descienden por gravedad hasta alcanzar el nivel de saturación que constituye el depósito de agua subterránea o acuíferos. Son captadas mediante pozos semisurgentes. Las aguas subterráneas carecen habitualmente de turbiedad y color, pero en algunos casos de aguas subterráneas ferruginosas, estas se colorean a poco de extraerlas por oxidación de compuestos ferrosos contenidos en las mismas y requieren tratamiento corrector previo a su entrega al consumo. También es necesario tratamiento corrector cuando de trata de aguas con dureza muy elevada. En otros casos pueden contener exceso de sólidos disueltos (elevada mineralización), cloruros, sulfatos, etc, o bien algunos elementos tóxicos como el arsénico.

Las aguas subterráneas son las aguas contenidas en la zona de saturación, es la única parte de todo el subsuelo la cual se puede hablar con propiedad como agua subterránea (Figura 3.2).

Figura 3.2 Distribución del agua



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Zonas de saturación y de aireación.- El agua que penetra hacia el interior por efecto de la gravedad, ocupa parte de los espacios porosos de las rocas o sedimentos, mientras que otra parte es ocupada por el aire retenido que no pudo escapar. De manera que todos los espacios porosos o cualquier otro espacio libre son compartidos por el agua o el aire, por lo que esta zona se la denomina ZONA DE AIREACIÓN. Pero a partir de cierta profundidad variable, aunque generalmente no muy grande, todos los espacios libres y porosos se encuentran ocupados por agua en su totalidad, denominándose a esta ZONA DE SATURACIÓN

Aguas meteóricas.- la fuente más importante de agua subterránea es aquella porción de la precipitación que se infiltra en el terreno. Esta agua que forma la mayor parte de las aguas subterráneas se llama agua meteórica. Las aguas meteóricas por infiltración de precipitaciones tenemos la zona vadosa y la zona profunda. Zona vadosa es la que se encuentra cerca de la superficie en la cual el espacio de poros está solo parcialmente lleno con agua y circulando horizontalmente. Infiltración es la penetración del agua en la zona porosa del suelo, dependiendo del tipo de suelo o superficie

Zona profunda representa la reserva de agua subterránea y no corren mucho, debido a que están hidrostáticamente aprisionadas. ACUÍFEROS: Son una formación geológica capaz de almacenar y transmitir agua, están comprendidos dentro de la zona de saturación de las cuales se pueden obtener agua con fines utilitarios. Es una unidad Geológica saturada capaz de suministrar agua a pozos y manantiales, los que a su vez sirven como fuentes prácticas de abastecimiento. Nivel estático: es la distancia comprendida desde la superficie del terreno hasta la zona de saturación. Nivel dinámico: es también llamado de bombeo. Cada punto sobre la superficie de la zona de saturación se llama nivel freático. La unión de todos los niveles freáticos de los pozos se llama napa freática.

Zonas de un acuífero Si admitimos que los acuíferos reciben agua de la precipitación (aunque puede recibirla por otras vías), se pueden definir tres zonas: zona de alimentación o recarga, zona de circulación y zona de descarga. La zona de alimentación es aquella donde el agua de precipitación se infiltra. La zona de descarga es la zona donde el agua sale del acuífero, como puede ser un manantial o la descarga al mar o a un río. La zona de circulación es la parte comprendida entre la zona de alimentación y la zona de descarga.

Tipos de acuíferos.-

a) Los principales tipos de acuíferos de la zona de AIREACIÓN son:

Acuífero del suelo. Que virtualmente se encuentra restringida al espesor de las capas hasta donde alcanzan las raíces de plantas y árboles.



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Acuífero pelicular. Es el agua adherida a los clastos integrantes o participantes del suelo (agua absorbida) y que no esta afectada por los movimientos gravitacionales. Acuífero gravitacional o vadosa. Es la que es afectada por la gravedad y tiende a fluir hasta niveles muy inferiores de la zona de aireación.

Acuífero capilar. Es el agua que a modo de flecos se eleva desde el nivel freático o límite inferior de la zona de aireación.

Acuífero colgada. Es aquella agua gravitacional que en su descenso queda atrapada por un estado impermeable, quedando virtualmente como colgada.

b) Dentro de la zona de SATURACIÓN, podemos diferenciados tipos de acuíferos que son:

Acuífero de movimiento libre. son aquellas formaciones en las cuales el nivel de aguas coincide con el nivel superior de la formación geológica que la contiene, es decir la presión en el acuífero es la presión atmosférica. Las elevaciones de agua dependen principalmente de los cambios de volumen almacenado. El agua que fluye libremente controlada por la pendiente del nivel freático.

Acuífero confinada. Llamados también artesianos en los cuales el agua está confinada entre dos estratos impermeables y sometidos a presiones mayores que la atmosférica. su movimiento está controlado por la diferencia de altura entre la entrada y la salida, o sea, su altura hidrostática. Los cambios de elevaciones dependen principalmente más de cambios en las presiones que de cambios en los volúmenes almacenados.

La línea piezométrica de un acuífero confinado es una línea imaginaria que coincide con el nivel de la presión hidrostática. En la figura 3.3 muestra el comportamiento de los acuíferos libres y confinados.

Figura 3.3. Tipos de Acuíferos



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Fig. 3.4 Relaciones entre los acuíferos Funciones de un acuífero. El acuífero cumple con dos funciones importantes: Almacenar agua y Conducirla. Este almacena agua, sirviendo como depósito trasmite agua como lo hace un conducto. Las aberturas o poros de una formación acuífera sirven tanto de espacio para almacenamiento como de red de conductos. El agua subterránea se mueve constantemente a través de distancias extensas y desde las áreas de recarga hacia las de descarga. El desplazamiento es muy lento, con velocidades en metros por día y a veces en metros por año. Como consecuencia de ello y del gran volumen que su porosidad representa, un acuífero retiene enormes cantidades de agua en almacenamiento inestable. La propiedad de los acuíferos de contener y conducir el agua está gobernada por varios factores: Porosidad, permeabilidad, transmisibilidad, producción específica y coeficiente de almacenamiento. Formas de reconocer un acuífero.-

Pruebas de acuíferos mediante los valores de almacenamiento y transmisibilidad.

Mediante una forma práctica de un perfil litológico. Propiedades del acuífero.-

Porosidad. Es la capacidad de un suelo de absorber agua. Cuantitativamente, la porosidad se define como el espacio total ocupado por poros en un volumen determinado de roca.

Porosidad total m = (Vh / V) 100



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Vh : Volumen de huecos V: Volumen total

Del curso de suelos se sabe que:

POROSIDAD= Vol. De vacíos (Vv) Volumen total (Vt)

La porosidad por lo tanto no depende del tamaño de los granos, sino de su forma y la acomodación de los mismos, así si se tuviesen esferas de cualquier tamaño, su porosidad seria n = 0.37.

Permeabilidad o conductividad hidráulica Es la capacidad de un suelo de dejar pasar agua. Con una serie de experimentos Darcy determinó que para un tipo dado de arena, el caudal de salida era proporcional a la caída en carga y al área transversal e inversamente proporcional a la diferencia de longitud. v = K*i, i = ∆h ; Q= v*A l Q = - K * A = h2 –h1 L2 – L1

Donde K es la conductividad hidráulica que se refiere a la velocidad sobre la gradiente hidráulico; i gradiente hidráulico; v velocidad de carga. El concepto de conductividad difiere de la permeabilidad, pues esta ultima esta definida según la siguiente ecuación: k = K * μ ρ* g En la cual K es como ya se mencionó, la conductividad hidráulica, µ es la viscosidad dinámica, ρ es la densidad del fluido y g la aceleración de la gravedad y sus unidades son m2. La conductividad hidráulica se expresa en [m/s] usualmente en [m/día] lo cual permite comparación entre diferentes formaciones y da un carácter cuantitativo con referencia a la cantidad de agua que puede ser transmitida por el material.

Transmisividad Es la capacidad de un acuífero de transmitir agua y es igual a la conductividad multiplicada por el espesor del acuífero:

T = K* b Donde K es la conductividad hidráulica, b espesor del acuífero. Se sabe que la ley de Darcy es: v = K * t ; t = ∆h ; Q = v * A l



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Q= K * A ∂h ∂l Si hacemos: A; donde W es el ancho del acuífero Q= K * b * W ∂h Q= T * W * ∂h ∂l ∂l

Coeficiente de almacenamiento Es la capacidad que riene el suelo para almacenar agua. El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que un acuífero, toma o suelta por unidad de superficie y por unidad de cambio de altura de carga. Este valor depende del acuífero, sea este confinado o libre. Cuando el acuífero es confinado la cantidad de agua que el acuífero suelta por cambio en la altura de carga, se debe a una expansión del agua y a la compresión del acuífero.

Gradientes y cargas La napa freática es muy importante cuando se habla de aguas subterránea, la posición de la misma se da desde un nivel de referencia que podría ser el nivel del mar, o la boca del pozo en la mayoría de los casos, de todas maneras, este nivel de referencia se fija arbitrariamente. Si se mide la altura en un pozo estático, y esta se extrae de la altura del punto desde donde se efectúan las mediciones se tiente la altura de carga total. En realidad del curso de hidráulica se conoce que: E = Z + P + v2 γ 2g

Carga Total = Carga de Elevación + Carga de Presión + Carga de Velocidad

Pero como en aguas subterráneas la velocidad es muy baja, se puede ignorar el tercer término quedando: E = Z + P ó ht = Z + hp γ

Altura de carga total = altura del nivel de referencia + altura de presión El agua en un acuífero se mueve desde una altura de carga mayor a otra menor, en otras palabras, existen variaciones en el nivel freático entre pozos, o sea existe una pérdida de carga hL la cual dividida entre el espaciamiento entre pozos, resulta en la expresión adimensional llamada gradiente. El agua en un acuífero se mueve desde una altura de carga mayor a otra menor, en otras palabras, existen variaciones en el nivel freático entre pozos, o sea existe una pérdida de carga hL la cual dividida entre el espaciamiento entre pozos, resulta en la expresión adimensional llamada gradiente.



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3.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL TIPO DE FUENTE DE ABASTECIMIENTO. Se pueden establecer las siguientes diferencias en cuadro 3.1

Cuadro 3.1 Diferencias entre los dos tipos de fuentes convencionales

VARIABLES

AGUA SUPERFICIAL

AGUA SUBTERRANEA

Disponibilidad de Caudal. Mayor disposición Mediano a bajos.

Variación de Caudal. Muy Variado. Poca variable

Localización.

Casi siempre se sitúan largos del sitio de consumo

Existe más libertad para ubicar la captación más cerca.

Extracción.

No siempre se requiere de bombeo.

Siempre se requiere bombeo.

Costo de Bombeo Más Bajos

Más Altos.

Características Físicas. Presentan mayor turbiedad en invierno.

Menor.

Grado de Mineralización

Variable.

En función de las características de los estratos.

Contaminación.

Alta posibilidad de contaminación bacteriológica sobre todo en época de Invierno.

Poca posibilidad de contaminación.

Tratamiento.

En general el costo es muy alto.

Casi siempre es más bajo a veces solo requiere cloración.



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3.5. OBRAS DE CAPTACION

Las obras de captación son todas aquellas que se construyen para reunir adecuadamente aguas aprovechables, su finalidad básica es asegurar bajo cualquier condición de flujo y durante todo el año la captación de gastos previstos. El tipo de obra a emplearse es en función de las características de la fuente, de la calidad, de la localización y su magnitud. (Figura. 3.4). Pueden hacerse por gravedad, aprovechando la diferencia de nivel del terreno o por impulsión (bombas). Las dimensiones y características de las obras de toma deben permitir la captación de los caudales necesarios para un suministro seguro a la población.

Figura 3.4 Obras de Captación 3.5.1 Captación de aguas superficiales El propósito de la toma, es el de derivar la cantidad de agua necesaria a través de una estructura, para cubrir una demanda estipulada. Una toma debe cumplir los siguientes requisitos:

a) Debe poder evacuar los caudales de crecida determinados por la hidrología, de modo que no cause ningún daño a la estructura.

b) Debe ser capaz de captar el caudal de diseño ya sea en estación seca como en

estación de lluvias. Debe captar agua de manera tal que no se contamine y en lo posible se produzca una mejoría de la calidad físico-química de las aguas.

c) La carga sedimentada debe poder lavarse hidráulicamente para ello, serán necesarias estructuras adicionales.

d) La selección del punto de toma debe ser por tanto, adecuado a los requerimientos

que debe cumplir la toma. A veces se requiere la construcción de un pequeño dique



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en el río, que ayude a captar agua en la cantidad requerida pero ello dependerá de la topografía del sitio, de las condiciones geotécnicas, de la altura de las riberas de los ríos en el lugar del dique, de la cantidad de agua que se desea captar y de los costos que ello implique.

Para fuentes superficiales sin regulación de caudal: Se supone una caudal del río superior al gasto máximo diario para cualquier época. Las Estructuras recomendadas son: Dique toma Dique toma con pozo de carga lecho filtrante Captación directa con Bombeo

Estructuras Flotantes. Bajo el punto de vista Hidráulico se debe determinar una altura de agua sobre el áreas de captación. Qmin aforado > Qmáx diario. Bajo el punto de vista Estructural: Las dimensiones de la Sección de transmisión con el fin de contrarrestar: Empuje Hidráulico

Emp. de Sedimentos Impacto sobre el Dique Para fuentes con regulación de caudal. La regulación de un río para compensar variaciones de caudal durante épocas de crecidas con los de estiaje supone el diseño y construcción de un dique o represa pero su utilización amerita una obra de captación adecuada para los diferentes niveles. Las principales obras son: Torre toma, Sifón y Toma Sumergida. Según la calidad del agua, la captación puede ser: Directa: Cuando la calidad física química y bacteriológica permite adoptar la cloración como mínimo tratamiento (Dique toma, Torre Toma, Estación de Bombeo).

Figura 3.5 Dique - toma: Captación directa por medio de tee horizontal



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Figura 3.6 Captación directa por bombeo Dique toma : Tiene la finalidad el represamiento de las aguas de un río con el objeto de asegurar una carga hidrostática suficiente sobre el dispositivo y a su vez asegurar el gasto previsto. En vista de que representa un obstáculo interpuesto en el curso normal de un río sufrirá las consecuencias de la acción del agua que es la erosión y la sedimentación por lo que se debe tener en consideración lo siguiente: Ubicar en sitios donde la cuenca hidrográfica presente el menos problema de erosión, esto es donde el cauce y la superficie de la hoja son estables hasta una distancia considerable aguas arriba. Debe diseñarse con un amplio margen de seguridad en cuanto a fundación, estabilidad y anclaje. Debe tomarse en cuenta el impacto de cantos rodeados y material arrastrado durante las crecidas. Deben emplearse dispositivos de captación que aseguren el gasto previsto del sistema. Considerando el funcionamiento hidráulico y la ubicación del dispositivo de captación existen tres tipos de Dique – Tomas : 1. Dique Toma naturales o artificiales con orificio de salida 2. Dique Toma con tanque de captación por debajo del vertedero de rebose. 3. Dique toma con tanque de captación por medio de vertedero lateral. Dique – toma con tanque de captación por debajo del vertedero de rebose. Un dispositivo de este tipo tiene la ventaja sobre los anteriores de que no se ve afectado por la cantidad de sedimentos depositados por el río; esto es que cumple sus propósitos aun en el caso extremo en el cual el pequeño embalse formado por el dique se llene por completo de material de arrastre. El dispositivo en cuestión consiste en un tanque, de caja central o canal, ubicado en el mismo cuerpo del dique-toma, por debajo del vertedero de rebose del mismo, ocupando todo el ancho de dicho vertedero. Fig. 3.7.



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Fig. 3.7. Captación por debajo del vertedero de rebose

Captación Indirecta: Cuando la calidad bacteriológica del agua ó la turbidez ocasional de la misma, requiere el aprovechamiento de la filtración natural a través de estratos permeables conectados con el río. Ejemplo: Galería de Infiltraciones y Pozos recolectores fig. 3.8. Cuando la fuente superficial es un lago o una laguna, normalmente se capta por estación de Bombeo. Ríos anchos: Estación de Bombeo: Costo del Dique es muy alto.

a) Pozo Excavado b) Galería de Filtración Figura 3.8 Captación Indirecta. Cuando el dispositivo de captación en un curso superficial está expuesto a impactos de consideración debido a cantos rodados, troncos de árboles, etc., arrastrados por las crecidas, el método de captación directa resulta inadecuado, por lo frágil que es un tubo proyectado en el paso de la corriente. En estos casos puede recurrirse al empleo de un tanque provisto de un vertedor lateral fig 3.9



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Fig 3.9 Dique toma con vertedero lateral El vertedor lateral es un dispositivo que permite el paso del agua por encima de una cresta, orientada en sentido paralelo a la dirección principal de la corriente. Hay cuatro cantidades que definen el funcionamiento de un vertedor lateral: la descarga o gasto (Q), el gradiente hidráulico hacia la cresta del vertedor, la velocidad de la corriente y la longitud de cresta. El problema se reduce a determinar la carga necesaria sobre una cresta de longitud dada, o la longitud requerida de cresta para una carga fija. La descarga a través de un vertedor rectangular puede expresarse por la fórmula general:

Q = C * L * 2

Donde los valores de C han sido determinados experimentalmente y usualmente están comprendidos entre 1.71 y 1.86; siendo el valor 1.84 el que mayormente se asigna para fines prácticos. Se construye un dique para asegurar una altura mínima de agua sobre el dispositivo de captación. El gasto requerido se capta por medio de un tanque lateral, mientras que el exceso sigue su curso normal a través del vertedor de rebose del dique. Torres de agua:

− La función de las torres de agua es la de equilibrar la presión y los caudales en un tiempo

determinado.

− Habrá que cuidar su estética.

− Podrán tener una capacidad de 30 − 40 m3., y deberán estar situadas en el baricentro del núcleo

urbano, ya

que aquí se mantienen mejor las presiones.

− Deberán ir cubiertos, y esta cubierta deberá tener una cierta pendiente para evitar posibles

filtraciones del

agua de lluvia. También en la parte superior deberá llevar una barandilla. Habrá una escalera exterior

por la

que se pueda subir a la cubierta. En la cubierta se hará un acceso al interior del depósito.



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3.5.2 Captación de aguas sub-superficiales 3.5.2.1. Galerías de infiltración: Son obras de captación empleadas en casos de fuentes subsuperficiales o en aquellas fuentes superficiales que no reúnen las condiciones de potabilidad requerida o que tiene turbiedad por encima de los límites. Las Galerías filtrantes, son pozos horizontales dotados de una cierta pendiente que recogen agua en toda su longitud. Son una forma simple de obtener agua filtrada (figura. 3.10). Para que el proceso de filtrado sea completo las galerías deben construirse por lo menos a 15 m de la orilla del río o lago. Para su construcción se abre una zanja en las capas de arenas acuíferas y luego se recoge el agua mediante una tubería perforada con pendiente hacia un pozo central donde se bombea (figura. 3.11). La longitud de la zanja es función de la cantidad de agua necesaria y de las dimensiones del acuífero. Alrededor de la tubería colocada se ubican cantos rodados de 12 a 25 mm. El resto de la capa filtrante se formará con arena y grava granulada. El espesor del filtro debe ser de 30 cm a 40 cm desde la tubería hacia fuera.

Fig.3.10. Detalles de galería de infiltración

Se caracteriza por tubos ranurados o perforados de concreto o de asbesto cemento (A.C) o cloruro de polivinilio (PVC) rodeado de una capa de grava instalada en el estrato permeable. En el extremo aguas abajo se construye un pozo recolector de donde se conducen las aguas por gravedad o por bombeo hacia el sistema de distribución. (figura. 3.11) Aguas arriba aproximadamente, 50 m normalmente se coloca bocas de visita, máximo 100 metros. La galería se orienta de acuerdo a la dirección predominante del flujo subterráneo. Cuando la velocidad del río es pequeña y existe estratos de alta permeabilidad que conectan con el río la galería se instala paralela al mismo.



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Fig.3.11. Detalles de zanjas y tuberías en galería de infiltración 3.5.2.2 Manantiales 1. Las aguas freáticas alimentadas por las precipitaciones atmosféricas, se acuñan en las

pendientes de los valles y desfiladeros de los ríos formando fuentes o manantiales cuyas aguas afloran a la superficie.

La clasificación de los manantiales puede hacerse de acuerdo con varios aspectos, entre ellos la posición que ocupe en el terreno (por la topografía), por la litología y por la causa y el modo de su presencia. Hay manantiales que se originan porque el manto acuífero esta cortado por un barranco otros porque el fondo de una depresión alcanza en algún punto la superficie piezométrica y el agua sale a la superficie; existen manantiales que se originan por aguas que ascienden por fisuras a merced de sifones invertidos, o más raramente empujados por gases. En estos casos, si las ramas del sistema alcanzan mucha profundidad, la acción combinada de la presión y la temperatura es causa de que disuelvan sustancias minerales y broten aguas mineralizadas frías o calientes. Cuando se trata de manantiales y quebradas en general es suficiente interponer una pequeña presa, proveyendo de drenaje, rebose y bocatoma. En este caso la boca toma debe estar a una cierta altura sobre el fondo del dique para evitar la entrada de arenas, y estar cubierta con una malla protectora. El drenaje debe ser capaz de permitir la descarga periódica de los sólidos sedimentados en la represa. El rebose debe ser capaz de dejar pasar todo gasto en exceso del estipulado para el abastecimiento. Cuando un manantial producido por afloraciones acuíferas se desplaza en un lecho más o menos pequeño, cualquier tipo de caja de recepción interpuesta en ese lecho puede servir como obra de captación.(figura 3.8)



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Como el acuífero de una captación esta expuesta a contaminarse, se le protege recogiendo el agua en un deposito con cubierta hermética o impermeable que dispone de tubos de salida y rebose con rejilla metálica. Estos depósitos son cámaras colectoras cerradas e impermeables constituidas de concreto armado o mampostería de ladrillo o piedra.

Figura 3.8 Captación Indirecta por Manantial Antes de iniciar la protección de un manantial hay que realizar un reconocimiento del terreno para obtener información acerca de la naturaleza del acuífero, la calidad del agua, el rendimiento de las distintas épocas del año, la topografía de la zona adyacente y la presencia de posibles fuentes de contaminación. La excavación de la cámara hay que profundizarla en lo posible hasta encontrar una capa impermeable esta operación necesita cuidado sobre todo en terrenos fisurados para evitar que el agua se desvíe o desaparezca, por ningún motivo debe usarse dinamita o cargas explosivas. El tubo de descarga tiene por objeto evitar que se sumerjan recipientes en el deposito, si el agua hubiese de ser impulsado por falta de pendiente del terreno, se empleara una bomba. Una vez construido y habilitado el manantial, conviene desinfectarlo con una fuerte concentración del cloro libre antes de integrar el agua al consumo. El sistema tiene que disponer de una tapa de registro con sello sanitario para evitar la entrada de agua contaminada u otro agente contaminante, en todo caso, los sistemas de disposición de excretas deben de estar suficientemente alejados, En la parte alta del manantial se construye una colectora de agua de lluvia. Criterios de diseño:

- Se considera solamente fuentes cuya producción crítica sea igual o mayor de 5 gpm - Se utiliza un período de diseño de 10-20 años - Para el diseño de la captación, se usa el Consumo de máximo día (CMD)



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Medidas preventivas: a) Reconocimiento Sanitario

- Origen del agua subterránea - Calidad de agua y rendimiento del manantial - Topografía - Posibles fuentes de contaminación

b) Evitar establos y casas en un radio de 30 a 90mts, alrededor de la captación c) Desviar y drenar el agua superficial d) Cercar la captación para protegerla de entrada de animales vacunos, cerdos etc. e) Reforestación de la fuente en sus alrededores en un radio no menor de 50m, en lo

posible reforestar la cuenta que alimenta la fuente. 3.5.3 Captación de aguas subterráneas. Una de las fuentes de agua más utilizada para el abastecimiento de agua potable son las aguas subterráneas. se clasifican en primera instancia en profundos y poco profundos. Los primeros son pozos perforados y los segundos son excavados.

Las obras de captación de las aguas subterráneas más utilizadas son a través de pozos, estos pueden ser: 3.5.3.1 Pozos poco profundos (aguas sub-superficiales)

Pozos excavados Pozos hincados 1. Pozos Excavados.

Los pozos excavados (Fig.3..12a) se constituyen y explotan para la captación de aguas poco profundas. En general para aguas en primera napa los canales son pequeños. Los pozos deben ser revestidos. Los revestimientos pueden ser de ladrillos, piedras u hormigón. En la parte inferior del revestimiento se harán orificios apropiados para facilitar la entrada de agua. En la parte superior debe hacer hacerse un rellenado de hormigón como protección de cualquier contaminación (Sello Sanitario). Los pozos son circulares, se construyen a pala o en algunos casos con equipo mecánico. Si el terreno no es consistente se deberán utilizar entubados. El revestimiento debe fundarse en terreno resistente.

Para el diseño de los pozos se debe considerar los siguientes puntos:



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a. Ubicación: se deben tener en cuenta las recomendaciones dadas para los pozos profundos.

b. Profundidad: se debe hacer ensayos de bomba en pozos de prueba para hallar el caudal que rinde el pozo para esa profundidad, es decir, el descenso de la napa se ha estabilizado. De acuerdo a las necesidades el pozo de prueba puede profundizarse hasta obtener el caudal requerido.

c. Diámetro: en general el diámetro del pozo tiene muy poca relación o influencia sobre el rendimiento del mismo. Si bien el caudal que se puede extraer de un pozo de diámetro pequeño es prácticamente igual a uno de mayor diámetro, el descenso de nivel en el más pequeño es mayor, y por lo tanto la velocidad de entrada al pozo es mayor (puede haber arrastre de arena). En general, el diámetro de los pozos excavados puede oscilar entre 1,25 – 2.0 m.

Son utilizados para pequeños abastecimientos de casos aislados o centros rurales. Su profundidad casi nunca sobre pasa los 10 -20 m. El equipo de bombeo es colocado generalmente sobre una plataforma que se apoya en las paredes de los anillos. (Fig 3.12a). 2. Pozos Hincados. Los pozos clavados o hincados solamente pueden construirse en formaciones suaves que se encuentren relativamente libres de rocas o de cantos, utilizados solo en terrenos blandos o granulares donde se pueda efectuar el hincado sin grandes dificultades (Fig.3.12.b). Estos pozos se hincan por lo general hasta profundidades de 15 metros o mayores cuando las condiciones son favorables.1 Se construyen por medio de un anillos de hinca y el revestimiento se va haciendo a medida que avanza la excavación. El descenso se consigue por el propio peso del anillo a medida que se va excavando. Los pozos clavados son bombeados por lo general utilizando la presión atmosférica. En tales casos el nivel estático del agua debe hallarse a una profundidad no mayor de 4.5 metros debajo de la superficie. Los tubos de pequeños diámetros de poca profundidad que se encajan en el subsuelo. Se utilizan la mayoría de las veces para instalaciones provisionales o privadas.

1 Edward E. Johonson,Inc. El agua Subterránea y los Pozos.



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a) Pozo Excavado b) Pozo Hincado Figura 3.12 Pozos Excavados e Hincados

3.5.3.2. Pozos profundos (Aguas subterráneas) Son obras de captación empleadas en aquellos casos en los cuales la fuente de abastecimiento seleccionada para una localidad, es del tipo subterránea.

A. la perforación se puede ejecutar por dos métodos: 1) percusión y 2) rotativo. La elección del método depende de ciertos factores:

Diámetro del pozo

Profundidad del pozo

Características geológicas a atravesar

1. Método de percusión: se basa en la acción desmenuzadora de un trépano, herramienta de forma puntiaguda que alternadamente se levanta y se deja caer. El material desmenuzado se extrae con una herramienta llamada cuchara. El método se aplica en zonas formadas por gravas y canto rodado, de estructura geológica muy quebrada.

2. Método rotativo: consiste en una serie de herramientas rotativas que van cortando y

desmenuzando las formaciones en pequeñas partículas que son removidas por la circulación de un líquido que constituye la inyección, el cual es bombeado a través de las barras que acciona el trépano. Este es el método rotativo directo. En el rotativo inverso el líquido se inyecta por la perforación y luego es aspirado pasando por la barra. El método rotativo tiene la ventaja de mayor velocidad de penetración y es aplicable cuando se trabaja en formaciones sedimentarias o rocas compactas.



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DISEÑO DE POZOS. Un pozo es una estructura hidráulica que debidamente diseñada y construida permite efectuar la extracción económica del agua de una formación acuífera. El diseño de pozos profundos se basa en las características del acuífero y en el movimiento del agua a través del mismo. El objetivo del diseño es la determinación de la capacidad del pozo. Cuan adecuadamente se logra este propósito, es algo que depende de los siguientes:

Aplicación de los principios de la hidráulica del pozo y del comportamiento del acuífero.

Destreza al perforar y construir pozos, lo que permite tomar ventaja de las condiciones geológicas.

Una selección de los materiales, tal que asegure una larga duración de la estructura. Características hidráulicas del acuífero. A fin de lograr el mejor diseño es necesario establecer alguna definiciones y características de los pozos. (Figura 3.13).

Nivel Estático del Agua (NEA). Es la distancia medida desde la superficie del terreno hasta el nivel del agua en el pozo no afectado por ningún bombeo. Este nivel está definido por la línea de carga en el acuífero.

Nivel de Bombeo (N.B). Es la distancia medida desde la superficie del terreno hasta el nivel del agua en el pozo, cuando se extrae un determinado gasto. (También se denomina nivel dinámico). Este nivel es dependiente del gasto bombeado.

Abatimiento (A). Es la diferencia entre el nivel de bombeo y nivel estático y similarmente será función del gasto bombeado. Representa la carga en metros de agua que produce el flujo desde el acuífero hacia el pozo y el caudal que se está extrayendo.

Capacidad Específica. Representa la relación entre el gasto extraído y el abatimiento provocado para un tiempo determinado. Se expresa C.E = Rendimiento/Depresión, en m3/hora/m, l/seg/m, m3/min/m. Depresión: N.E.A - N.Bombeo en pie o en metro.

Rendimiento del Pozo (producción) Es el volumen de agua por unidad de tiempo que el pozo esta descargando ya sea por bombeo (l/seg, m3/min)

Radio de influencia. Es la distancia alrededor de la obra de captación hasta donde llegan a ocurrir descensos en el nivel de agua cuando se realiza el bombeo.

Todas las características anteriores se pueden determinar a través de prueba de Bombeo. Una vez conocidas las características de los acuíferos y las propiedades que lo gobiernan queda por determinar cuales serán las formas de diseño de un pozo que permita su aprovechamiento racional en la forma más ventajosa.



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Un pozo eficientemente diseñado debe ser capaz de permitir la utilización de los recursos naturales del acuífero en toda su amplitud. Por ello un buen diseño de pozo dependerá de la cantidad de datos disponibles. En una zona donde se dispone de datos de perforación anteriores.

Figura 3.13.Diagrama de los elementos que se determinan en la prueba de bombeo

La información necesaria requerida para el diseño de pozos. Hidrogeología: Reconocimiento de campo, pozos que están en la zona).; Tipos de estrato; Características física de los acuíferos: N.E.A., Permeabilidad, Rendimiento. Hidrológica: Precipitación anual, Escorrentía y posibles recargas del subsuelo, Pérdidas por evaporación, transpiración y descarga de agua subterráneas. Calidad del Agua.: Características físico química y microbiológica de la fuente Geológica: Estudio de Pozos que existen en la zona, Seleccionar sitios para perforación de pruebas. De las perforaciones de pruebas se deben obtener:

Espesor de cada estrato Tiempo empleado en la perforación del estrato Muestra de agua de cada acuífero para verticalidad. Prueba de Bombeo: La prueba de bombeo consiste en bombear de un pozo y registrar tanto el abatimiento en este, como el producido por el bombeo en otros pozos de observación por espacio como mínimo durante 24 horas. Objetivos de la prueba de Bombeo. 1. Comportamiento y eficiencia del pozo para determinar el equipo de bombeo.

A: Abatimiento B: Nivel freático C: Espesor del acuífero D: Nivel de bombeo R: Radio del circulo de influencia F: Cono de depresión



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2. Comportamiento del acuífero y sus características hidráulicas. Las dos pruebas más importantes son:

Prueba de bombeo a caudal constante, se realizara con dos caudales diferentes por lo menos, que están entre sí en una relación mínima de 2 a 3, se debe esperar el tiempo suficiente entre la terminación de la prueba con un caudal y el comienzo de la prueba con otro caudal, para que el acuífero se haya repuesto de la primera prueba, si es que los niveles se recuperan en un tiempo prudencial. Esta prueba tiene el propósito de determinar el rendimiento del pozo en estudio y por tanto el abatimiento permisible.

Prueba con abatimiento escalonado. El caudal extraído del pozo se mantiene constante durante un tiempo, para cambiar súbitamente a otro caudal que se mantendrá constante durante otro tiempo, para volver a cambiar a un tercer caudal durante un tercer espacio de tiempo y así sucesivamente. Se realiza con 3 caudales diferentes por lo menos, con relaciones entre 2 caudales sucesivos de 2 a 3 ó 1 a 2. Este tipo de prueba tiene como objetivo determinar las características del acuífero, identificando donde está la mejor producción.

En ambas pruebas, el caudal mayor utilizado será ligeramente superior al que se propone para la explotación. La duración de los ensayos es de 72 horas, por lo menos, en acuíferos libres y de 24 horas, por lo menos, en acuíferos confinados. Los datos de abatimiento deben tomarse en el pozo principal y al menos en 2 pozos de observación.

Las mediciones que deben hacerse incluye los niveles estáticos antes de empezar el bombeo, descarga del pozo o de bombeo, niveles de bombeo o niveles dinámicos durante varios intervalos de tiempo a lo largo de todo el período de la prueba de bombeo, tiempo en que la bomba arranca, tiempo en que se halla observado cualquier cambio en la descarga y tiempo en el cual se detuvo el bombeo. Requisitos de la prueba de bombeo: Los preparativos de una prueba de un acuífero deberán permitir que se realicen las siguientes regulaciones y mediciones: Caudal constante de bombeo

Precisión en las mediciones del abatimiento tanto en el pozo de bombeo como en uno o varios pozos de observación situados en las cercanías de aquél.

Registro preciso del tiempo a que tienen lugar las mediciones que se tomen conforme avanza el bombeo.

Mediciones precisas de los niveles de recuperación en cada pozo conforme avanza el tiempo después de suspendido el bombeo.

Procedimiento: 1. Medición de la descarga:

Medir el caudal de descarga cada hora, durante la prueba de bombeo. Medición de los niveles de agua: durante la ejecución de una prueba de bombeo debe medirse repetidas veces la profundidad del agua.



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Las mediciones en el pozo de bombeo deben efectuarse cada ½ minutos durante los primeros 5 minutos. Contados a partir del inicio de bombeo; luego cada 5 minutos durante una hora; después cada 20 minutos. por alrededor de 2 horas y después lecturas cada hora. Las mediciones de nivel en los pozos de observación deben tomarse cada 2 min. Desde el comienzo de la prueba y por espacio de una hora , después cada 5 min en la siguiente hora ; luego cada 10 minutos en las 2 horas siguientes y el resto del tiempo cada 20 minutos Estas pruebas deben hacerse en verano, cuando la producción del acuífero es mínimo.

Partes que consta un pozo perforado El pozo perforado está constituido por los siguientes elementos:

Ademe del pozo. Es una tubería generalmente de acero, colocada con holgura dentro de la perforación. Este componente proporciona una conexión directa entre la superficie y el acuífero, y sella el pozo de las aguas indeseables superficiales o poco profundas; además soporta las paredes el aguajero de perforación. Esta parte consiste en una camisa o cobertura de material metálico o plástico, el cual se utiliza como protección del equipo de bombeo y para la perforación misma.

Cedazo, filtro o ademe ranurado (rejilla). Consiste en una tubería ranurada fabricada especialmente para la captación del agua subterránea. La ranuración depende del tipo de material no consolidado tal como la arena, que se encuentre en el acuífero. La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formación saturada, evitando que la arena penetre y además actúa como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material consolidado. Si las ranuras o perforaciones del cedazo no son de la dimensión precisa para el acuífero los pozos bombearán arena. Los cedazos se fabrican en tubos de metales diferentes con protección o sin ella en aleaciones de plástico, concreto, asbesto-cemento o fibra de vidrio. Los más económicos y comúnmente usados son los fabricados en tubo de acero con bajo contenido de carbón. La rejilla del pozo debe ser de óptima calidad (de buena estructura, resistente a la corrosión y eficiente desde el punto de vista hidráulico).

Sello sanitario. Las cubiertas o sellos de la boca de pozo se usan en la parte superior de la tubería de revestimiento o conexiones del casquillo de la tubería para prevenir la entrada de agua contaminada u otro material al pozo. Existen varios tipos de cubiertas y sellos para diversas condiciones, pero los principios y el objetivo de excluir la contaminación son los mismos.

Empaque de grava o filtro de grava. Cubre la tubería o ademe para evitar la penetración de partículas y le sirve como un filtro natural.

Criterios de Diseño de pozos Cada diseño de un pozo puede seleccionarse de acuerdo a las condiciones hidráulicas pueden ser distintos en uno y otro caso.



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Para ello es conveniente definir:

Diámetro

Profundidad

Tipo de pozo

Longitud de la zona de captación

Area libre de Captación y abertura

Selección del material y tipo de rejilla Diámetro del pozo. Debe seleccionarse escogerse de modo que satisfagan dos requisitos:

El diámetro del intervalo de captación del pozo debe ser tal que garantice una buena eficiencia hidráulica del mismo.

El ademe debe ser lo suficientemente amplia para que permita acomodar la bomba

con la tolerancia adecuada para su instalación y eficiente funcionamiento.

El diámetro de ademe debería ser de dos números mayor que el diámetro nominal de la bomba. Bajo ninguna circunstancia deberá escogerse un diámetro menor de por lo menos un número más grande que los tazones de la bomba. La producción de un pozo varía muy poco con el diámetro. El diámetro depende esencialmente del equipo de bombeo a instalar. Conocida la producción del pozo, o el gasto que se desea obtener, se determina el diámetro en función de ese gasto. Para pozos con profundidad de 60 a 80 mts. se puede utilizar la siguiente tabla, (Normas de Diseño del INAA).

Cuadro 3.2 Relaciones entre el diámetro del pozo y el gasto de bombeo.

Capacidad del pozo (gpm.)

Diámetro del pozo. (pulg.)

0 - 50 6.0

50 - 300 8.0

300 - 500 10.0

500 - 750 12.0

750 - 1000 16.0

1000 y más 20.0

Diámetro Total = Diámetro Pozo + 6 pulgadas (Figura 3.14 y 315) Profundidad del pozo. Se determina por lo general mediante el registro del pozo de prueba, de los registros de otros pozos cercanos en el mismo acuífero o durante la perforación del pozo de producción. Generalmente el pozo se termina en el fondo del acuífero. Esto es de desear, por las dos razones siguientes: • Se utiliza mayor espesor del acuífero como intervalo de captación del pozo, lo que mejora su capacidad específica. • Puede obtenerse mayor abatimiento disponible, permitiendo al pozo erogar más caudal. A fin de aprovechar al máximo la capacidad del acuífero, la profundidad del pozo debe llegar hasta el limite inferior del acuífero.



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Fig.3.14 pozo profundo Fig. 3.15 Diámetro del pozo Profundidad y Localización de los pozos. Los datos de la prueba de bombeo se utilizan para evaluar la interferencia entre los pozos. La depresión del cono de influencia en un sitio dado como resultado del bombeo simultáneo de diferentes pozos, es igual a la suma de las depresiones producidas en el mismo sitio para el bombeo individual de los pozos.

Profundidad (m) Distancia mínima (m)

Menor de 30 m 50

Mayor de 60 m 300-500

Longitud de rejilla. La longitud óptima de rejilla debe escogerse con relación al espesor del acuífero, abatimiento disponible y estratificación de la formación.

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