Evaluacion De Los Recursos De Las Aguas Subterraneas

PROGRAMA DE FORMACIÓN IBEROAMERICANO EN MATERIA DE AGUAS
ÁREA TEMÁTICA 3.1. HIDROGEOLOGÍA
TEMA 6: MANEJO DE LOS RECURSOS HÍDRICOS SUBTERRÁNEOS
Por: MsC. Fermín E. Sarduy Quintanilla
Esp. Hidrogeología
E-mail: fermin@eahvc.hidro.cu
CURSO: Hidrogeología-III
10 al 14 de mayo de 2010
AECID, Montevideo, Uruguay
MANEJO DE LOS RECURSOS HÍDRICOS SUBTERRÁNEOS
PROSPECCIÓN HIDROGEOLÓGICA
EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS
SUMARIO:
6.I Geología aplicada a la hidrogeología.
6.I.1 Introducción a la geología y su relación con la naturaleza de los acuíferos.
6.II. Prospección hidrogeológica.
6.II.1 Programa de investigación. Criterios para la selección del complejo de métodos.
6.III. Evaluación de los recursos de las aguas subterráneas.
6.III.1 Descripción de los métodos más utilizados.
6.III.2 Determinación de los recursos subterráneos a través del método de balance
hídrico de un acuífero por la fluctuaciones del nivel de la superficie piezométrica.
6.III.3 Pronóstico de los niveles de las aguas subterráneas a través de las curvas de
agotamiento.
6.III. 4 Aplicación práctica del cálculo de los recursos subterráneos. Ejemplos de su
aplicación.
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Evaluación de los recursos de las aguas subterráneas
Definición de conceptos fundamentales
Reservas y recursos de las agua subterránea:
Capacidad definida pero por conocer y su volumen
depende de:
1.Características geológicas.
2.Contornos de la formación acuífera.
3. Hidrología superficial de la cuenca superyacente
4. Condiciones de alimentación
Se conoce su volumen por la geometría del embalse antes de
construirse
Es el proceso de explotación de un
acuífero, lo que permite tener
conciencia de su capacidad
Qué caudal y durante qué tiempo puede extraerse, para determinadas condiciones de
abatimiento en un acuífero, de un sistema de pozos que actúan simultáneamente?.
Dos escuelas hidrológicas responden a esta interrogante, la europea lo
hace con el concepto RECURSOS EXPLOTABLES y la
norteamericana con la PRODUCCIÓN O CAUDAL SEGURO (SAFE
YIELD).
Reserva: Cantidad de agua almacenada en un acuífero que drena por la acción de la gravedad,
expresada en unidades de volumen y reflejando un carácter estático.
Recursos: Volumen de agua disponible para la explotación de un acuífero, expresados en
unidades de caudal y como consecuencia refleja un carácter dinámico.
Reserva Mínima: Cantidad de agua almacenada en un acuífero limitada por la superficie
piezométrica mínima. Tiene cierta correspondencia con el caudal mínimo del
escurrimiento subterráneo.
Reserva máxima: Cantidad de agua almacenada en un acuífero limitada por la superficie
piezométrica
máxima. Tiene correspondencia con el
caudal máximo del
escurrimiento subterráneo.
Variación de la reserva: Es la diferencia de volumen entre la reserva máxima y la mínima.
VARIACIONES HIPERANUALES
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Reserva permanente (Vp) Corresponde a la reserva mínima media.
Reserva total (Vt-Vp) –Castany- A partir de 1970, la nombra Reserva reguladora.
También, este autor usa el término de Recursos regulados para referirse a los
recursos naturales, sinónimo normalmente de Recursos disponibles.
Recursos disponibles (QD) : Representan el volumen de agua que podría extraerse
permanentemente a largo plazo del acuífero sin que experimente una reducción de la
reserva permanente, expresado en término de caudal. Estos recursos dependen
fundamentalmente de la alimentación neta del acuífero y es costumbre asociarlo al
caudal escurrimiento subterráneo bajo condiciones de equilibrio natural (Qs).
Recursos explotables (QE): Volumen de agua que se puede captar de un acuífero a
largo plazo sin originar alteraciones indeseables en el régimen de las aguas
subterráneas tendiendo en cuenta condiciones técnicas y económicas, expresado en
término de caudal. La concepción de las obras de captación influye notablemente en
estos recursos así como el propio efecto de la explotación.
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CAUDAL SEGURO (SAFE YIELD)
El concepto safe yield fue introducido en 1915 por Lee como límite de la cantidad de
agua que puede extraerse regularmente y de forma permanente sin una disminución
riesgosa de las reservas del acuífero.
Fue abierta por Meinzer en 1923 para contemplar los aspectos económicos y redefinida por Conkling en 1946 como la extracción anual de agua que no:
Exceda la recarga media anual,
Sea menor que un nivel del agua subterránea tal que el costo permisible por bombeo
se incremente,
Sea mayor que un nivel del agua subterránea que permita intrusión de agua de
calidad no recomendada,
Sea menor que el nivel del agua subterránea que vaya en detrimento de los derechos
de agua existentes.
CAMBIOS EN LA ADMINISTRACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS
Antes
Profundidad de los pozos y su capacidad
Hoy día
1. Conservación del agua (Extracción, regulación y el
movimiento en las áreas de recarga)
2. Movimiento en áreas no tributarias
3. Creación de barreras para evitar intrusión salina
MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE LOS RECURSOS SUBTERRÁNEOS
Meinzer (1931) realiza la siguiente clasificación:
1.
2.
3.
4.
Métodos basados en la alimentación del acuífero.
Métodos basados en la descarga subterránea.
Métodos basados en el cambio de almacenamiento,
Métodos de balance o inventario.
Aquí se presenta el siguiente ordenamiento de los métodos para su estudio:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Balance hídrico de un acuífero.
Fluctuaciones del nivel de la superficie piezométrica.
Rendimiento de obras de captación.
Caudal de escurrimiento subterráneo.
Método Hidrodinámico.
Método Hidráulico.
Métodos Hidrológicos.
Métodos diversos o especiales.
Modelos Matemáticos de Simulación.
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1. Balance hídrico de un acuífero
Expresión del principio de la conservación de la materia en el acuífero:
Vi Inf. eficaz Rec. natural Flujo subt. Rec. Artificial - Evaporació n Desc. natural Flujo subt. Explotació n
-
+
ENTRADAS
VF
SALIDAS
En la escuela europea, rusa, Bindeman, Lazvin, Borevskii y otros, emplean una variante
de este método para estimar los recursos explotables (ellos llaman RESERVAS DE
EXPLOTACIÓN). Sobre la base de las fuentes que forman dichos recursos.
La expresión más general es:
QE
QN
1
2
VN
t
3
QART
4
VART
t
5 Q AT
Donde:
, coeficientes de utilización de recursos y reservas
QN, recursos naturales, VN, reservas naturales
QART, recursos artificiales, VART, reservas artificiales
QAT recursos atraídos
t, tiempo de diseño de las obras de explotación
Los autores anteriores identifican los recursos naturales con la infiltración eficaz o con el
caudal de flujo subterráneo en condiciones naturales y en menor medida con la
variación de las reservas.
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2. Método de las fluctuaciones del nivel de la superficie
piezométrica
Este método puede aplicarse en condiciones naturales o de explotación pero sólo en acuíferos
libres ya que implica variación de las reservas y recursos.
Castany considera que los RECURSOS DISPONIBLES pueden calcularse en condiciones
naturales sobre la base de las fluctuaciones del nivel de las aguas y los considera iguales a la
variación anual media de las reservas, V
A P
H .
i
i
E
Bindeman, 1970, reseña dos métodos propuestos por Kamenski. El primer método utiliza fórmulas
de régimen permanente para los cálculos de la alimentación por precipitaciones y el segundo, de
régimen impermanente, en el que la exactitud recae en el valor de la porosidad efectiva, PE, y no
en el valor de la conductividad hidráulica, Kp, como en el primer caso.
El fundamento del segundo método lo constituye la aplicación de la ecuación de continuidad,
expresada en términos de volumen, y basada en el conocimiento de los niveles de tres pozos
situados en una misma línea de corriente en un acuífero libre bajo flujo lineal. En definitiva,
Bindeman propone usar la siguiente expresión simplificada para estimar la percolación neta o
infiltración eficaz: PN PE H / t.
Y para tener en cuenta, de forma aproximada, las descargas supone que este flujo subterráneo
sigue la misma tendencia reflejada de la curva de nivel durante el período anterior al incremento
del nivel, en un tiempo igual al considerado para el aumento de , o sea,P P H Z .
Nivel
(m)
zs
N
E
t
h
H
zh
Nivel (t)
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3. El rendimiento de las obras de captación
El rendimiento a largo plazo de las distintas obras
de captación
EFECTO EN LOS
NIVELES
Q1 + Q2 + Qn
RECURSOS
EXPLOTABLES
Plotnikov
ABATIMIENTO
ADMISIBLE
DETERMINA LOS
RECURSOS
EXPLOTABLES
Depende de:
 Condiciones geológicas.
Las obras de captación
Tipo de acuífero.
Resulta necesario determinar también el efecto de la interferencia de los pozos. Entonces Hantush
(1964) hace referencia a que es frecuente el problema del espaciamiento entre pozos para no
exceder el abatimiento permisible.
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a) Método de los conos (o embudos) de depresiones regionales
Método citado por Plotnikov y aplicado por Víctor Kalashnik en el acuífero cársico de la
cuenca sur de Pinar del Río, Cuba, en 1981.
S
ρS,Q < 0.9 Los cálculos no son buenos y resultados no funcionales
Q
b) Método grafo-analítico
Lim nigram a hipe ranual Bloque Dolore s
9,50
9,00
Nivel (m)
8,50
8,00
7,50
7,00
6,50
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2005
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2009
2003
2004
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
6,00
Años
Lluv ia anual
2400,0
2300,0
2200,0
2100,0
2000,0
1900,0
1800,0
1700,0
1600,0
1500,0
1400,0
1300,0
1200,0
1100,0
1000,0
900,0
Resumen:
Se analizan estos gráficos con mucho detenimiento
en un período extenso de años y a partir de ellos
se obtienen las siguientes curvas:
1. Curva de probabilidad de explotación, caracteriza
cualitativamente el grado de la probabilidad de los
recursos al final del período seco de cada año.
2. Curva pronóstico de niveles bajo una explotación
fijada, la que permite observar si alguna cota del
nivel del agua subterránea está por debajo de la
admisible.
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
800,0
Extarcción Bloque Dolores
9,50
9,00
8,00
7,50
7,00
6,50
Años
2009
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2007
2006
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2001
2000
1999
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1997
1996
1995
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1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
6,00
1985
Q(hm3)
8,50
Determinación de los recursos disponibles:
Se estima el volumen admisible de la explotación
correspondiente al final del período seco de aquellos años
que se han caracterizado por las precipitaciones
atmosféricas mínimas.
4. Caudal del escurrimiento subterráneo.
El caudal del escurrimiento subterráneo Qs, se considera como un índice y a
veces hasta la representación de los recursos disponibles por algunos
especialistas, Plotnikov, Bindeman, Castany, por ejemplo. Normalmente el
método se emplea como comprobación de la evaluación de recursos.
caudal que atraviesa
una sección transversal
Q1
Q2
Q3
Qi
recursos
disponibles
Módulo del Escurrimiento Subterráneo
Mesc = Qs / Aac
Expresado en l/s por Km2
m
Qs
K Hm I B
Qs
Qi
i 1
K: Coeficiente de filtración de la sección de cálculo en m/día;
Hm: potencia media del horizonte acuífero en la sección decáculo, m;
I: gradiente hidráulico del nivel de las aguas subterráneas en la sección del flujo;
B: longitud de la sección, m.
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5. Método Hidrodinámico
El método se basa en la utilización directa de las ecuaciones que se obtienen
para calcular el abatimiento en distintas situaciones, o sea, a partir de las
ecuaciones resultantes del modelo analítico del flujo de agua subterránea hacia
las diferentes estructuras de captación con las condiciones de contorno que le
correspondan. El paso de las condiciones hidrogeológicas naturales a un
modelo matemático (esquema de cálculo) puede ser ejecutado en dos etapas:
1.Esquematización: Confección del esquema de filtración.
2. Tipificación: Selección del esquema de cálculo.
Límites abiertos
Límites impermeables
Límites abiertos
Límites impermeables
Límites mixtos
Estratos
semilimitados
Estratos cuadrantes
Límites abiertos
Límites impermeables
Límites abiertos
Límites impermeables
Estratos circular
Estratos en banda
Límites mixtos
A continuación se expone, a manera de ejemplo, el método del gran
pozo, citado por Bindeman, con ciertas modificaciones para superar
determinadas interpretaciones en su aplicación:
L
Batería lineal
R
O
Sistema de pozos
circulares
R
O
0.2 L
P
Sistema de
pozos en área
Ro
0.565 F
R
O
0.2 P
CASOS SENCILLOS
1. Caso de flujo lineal en acuíferos limitados por un contorno circular de carga
constante:
Q
Ro
ln
Acuífero confinado, sPG
, Dupuit
2 TD
PG
2. Caso de flujo lineal en acuíferos limitados por un contorno circular impermeable:
Q
Ro 2Tp t 3
S
ln
pG
acuífero confinado,
, (Muskat, 1937)
2
2 TP
ER
4
PG
o
Recursos Disponibles. Se puede conocer de antemano el abatimiento admisible en
una zona acuífera, entonces se procede a despejar Q en las
ecuaciones anteriores para determinar los recursos.
6. Método Hidráulico
Se fundamenta en predecir el abatimiento para un caudal de explotación
determinado a partir de los resultados de abatimientos obtenidos con otro
caudal o caudales bajo condiciones de casi equilibrio. O sea, se dispone de la
llamada curva característica del pozo: Sp/Q vs. Q, en papel aritmético.
S
Q
a
Q
A diferencia del método hidrodinámico, donde se
utilizan parámetros hidrogeológicos determinados
por la esquematización de las condiciones límites,
en el método hidráulico la dependencia de los
cálculos y sus principales parámetros se
determinan de forma experimental.
En acuíferos confinados, según Dupuy, el abatimiento aumenta de forma proporcional al
gasto, donde:
Q
Donde:
S
e
eS
Q
Se: abatimiento de explotación; Qe: gasto de explotación;
S: abatimiento de aforos; Q: gasto de aforo
Considerando la pérdida de carga en la columna del pozo, Dupuy propone que:
S a Q b Q2
Donde: a y b: parámetros empíricos determinados por aforos experimentales.
S
S
2
1
S1, S2 y Q1, Q2: abatimiento y gasto del
S
Q
Q
2 bQ
aforo del primero y segundo abatimiento,
a
2
1
b
2
Q
con S y Q estabilizados.
Q Q
2
2 1
9. Métodos Hidrológicos
A) Interpretación de la curva de agotamiento (o recesión) de las corrientes y
manantiales:
y
b 0,434
.X
Curva de recesión y
agotamiento
Caudal base
Curva de
concentración
Curva de
descenso
t (días)
t (días)
Si se dispone de observaciones, de Qt y t, a partir de un gráfico semi-logarítmico, se
puede determinar como sigue: lg Qt log Qo
t log e
Entonces: y b 0,434 .X
Donde: 0,434 sería la pendiente de ese gráfico.
El volumen de agua almacenada en el acuífero que alimenta el caudal de agotamiento,
V, se expresa como el área bajo la curva de recesión: V
Qo e t dt Qo /
o
se expresa en segundos.
También, V 0,0864 Qo / , done se expresa en días y V en hm3.
El valor de V servirá como índice para el cálculo de QD, recursos disponibles
B) Modelos hidrológicos para estimar el almacenamiento del acuífero
(porosidad efectiva, E).
El método propuesto en: Groundwater International Training Course on Hydrology,
China, indica que se requiere información de lluvia horaria (Pi), profundidad diaria del
nivel del agua subterránea y del evento de lluvia anterior (Pi-1). Además, la capacidad
de campo, Wm, y la capacidad de infiltración de los suelos, Vp, deben estar pre
determinados.
En n eventos de aguaceros ocurren las precipitaciones P1, P2, --- Pi, --- Pn;
corresponden los incrementos del nivel del agua H1, H2, --- Hi, --- Hn y las recargas
Re1, Re2, ---Rei---, Ren.
Se asume que el cambio del nivel del agua subterránea causado por otros factores,
como por ejemplo, evapotranspiración y flujo subterráneo, pueden despreciarse debido
a la relativa corta duración del aguacero, luego E = Rei / Hi, donde Hi es la amplitud
del nivel del agua obtenido por observaciones directas.
Se presentan dos variantes de este método:
1. Método de estimación de la recarga de infiltración, Rei.
El balance hídrico en la capa de suelo de cobertura al acuífero indica:
Vi P ETR EH
Vf
2. Optimización de Wm, Vp y E.
Se presenta un método de optimización para determinar la capacidad de campo, la
capacidad de infiltración y la porosidad efectiva por aproximaciones sucesivas.
8. Métodos diversos o especiales
a) Métodos geofísicos de pozo
Los parámetros medidos con los
métodos de pozo permiten la
determinación
de
parámetros
hidrogeológicos
como
son:
porosidad, la permeabilidad, la
velocidad y dirección de flujos de las
aguas subterráneas.
PRINCIPALES MÉTODOS DE POZO Y LA INFORMACIÓN
QUE LOS MISMOS BRINDAN.
Continuación…
b) Utilización de analogías.
Comparar el acuífero no evaluado con aquel cuyo comportamiento se conoce
c) A base de estimados de la precipitación infiltrada.
Es muy importante conocer no sólo la cantidad de precipitación anual sino también su
distribución. Se usa como punto de partida para precisar sus valores posteriormente
con otros métodos.
La esencia es encontrar una relación adecuada entre la lámina de precipitación y la
recarga natural por infiltración.
d) Estudio de las características hidráulicas de un sistema acuífero
A través de trazadores químicos introducidos en varios sumideros, dolinas profundas,
se verifica que el mayor o principal conducto que alimentan los manantiales principales,
de un acuífero, están desarrollados a lo largo de una diaclasa, con una determinada
dirección preferencial…
No hay ningún conducto profundo que descargue hacia el acuífero, no obstante, el
escurrimiento superficial y el drenaje de algunas dolinas poco profundas tienen drenaje
hacia ese lugar.
8. Modelos Matemáticos de Simulación
Impermea
ble
Zona no
saturada
Acuífe
ro
Impermea
ble
Colectivo de Autores:
Armando O. Hernández Valdés
José B. Martínez Rodríguez
Félix Dilla Salvador
Haydée Llanusa Ruiz
Armando O. Hernández Valdés ( Editor )
I.S.P.J.A.E.
Facultad de Ingeniería Civil
Centro de Investigaciones Hidráulicas
2001
Un modelo matemático de un acuífero es una
ecuación o serie de ecuaciones que simulan y
pronostican respuestas físico-químicas de dicho
sistema, sometido a perturbaciones tales como
recarga o extracción mediante pozos o la inyección
de un agente contaminante. En la actualidad, en
hidrogeología los modelos matemáticos son
ampliamente utilizados, siendo una herramienta muy
útil para lograr establecer el pronóstico del
comportamiento del sistema acuífero tanto en el
establecimiento de estrategias de explotación como
para evaluar su comportamiento por la influencia de
obras de ingeniería con las cuales tengan interacción.
La aplicación de la tecnología de la modelación
matemática de acuíferos contribuye a mejorar el
conocimiento de las disponibilidades de estos
recursos y a desarrollar políticas racionales de
administración que garanticen su desarrollo
sustentable.
AQÜIMPE
Modelo Matemático bidimensional impermanente del
flujo lineal del agua subterránea en acuíferos
RESUMEN
MÉTODO
Balance
acuífero
APLICACIÓN Y LIMITACIONES FUNDAMENTALES
hídrico
de
un
Fluctuaciones del nivel de
la superficie piezométrica
Se recomienda usar en formaciones cársicas
P E L, donde P es la suma de
todos los tipos de entrada de agua al acuífero (debido a la lluvia y al agua
superficial); L son las pérdidas no medibles y no utilizables (como la ETR,
descarga de manantiales pequeños, escurrimiento, etc) y E los recursos
explotables.
Se recomienda usar el balance hídrico como complemento de los otros métodos a
manera de comprobación.




Seleccionar adecuadamente el sector donde aplicar el método para
adaptarse a la forma elíptica de la curva de depresión (sector cercano a las
divisorias del acuífero).
En el sector seleccionado no aparecen directamente gastos de extracción.
La porosidad efectiva está referida a la zona de variación de los niveles, .
Los recursos varían de año en año y es necesario hacer un análisis
estadístico de una serie larga para definir el valor medio.
de

Según algunos autores es el único modo posible de evaluación de los recursos
de agua subterránea en zonas carsificadas con la selección sucesiva de los
gastos de explotación.
Caudal de escurrimiento
subterráneo

Su uso es efectivo en zonas con un grado de conocimiento elevado de las
condiciones hidrogeológícas.
Método Hidrodinámico

Permite evaluar los recursos explotables del acuífero sin un nivel de
conocimiento detallado de sus propiedades en toda su extención.
Método Hidráulico

Constituye el método mas racional de evaluación de los recursos de
explotación en condiciones hidrogeológicas complejas.
Rendimiento
captación
de
obras
RESUMEN… continuación
MÉTODO
APLICACIÓN Y LIMITACIONES FUNDAMENTALES
Métodos Hidrológicos
 Efectivo en acuíferos pequeños y en investigaciones detalladas especiales.
Métodos
especiales
diversos
o
Modelos Matemáticos de
Simulación
 Se necesita contar con la tecnología apropiada, pero ofrece resultados
confiables en lugares donde no es posible la utilización de otros métodos.
 Los acuíferos constituyen uno de los sistemas más complejos sobre los que el
hombre tiene que actuar sistemáticamente con el objetivo de obtener el
principal recurso natural para la vida, que es el agua. La complejidad de este
sistema ha obligado a desarrollar técnicas que permitan su operación global,
constituyendo la modelación en la actualidad, la técnica capaz de lograrlo de
una forma eficiente