EXPLOTACIÓN

Explotación de agua subterránea implica el aprovechamiento racional del recurso natural “renovable” agua.

El recurso agua subterránea debe ser prospectada y explorada, y su explotación debe ceñirse a un diseño óptimo de la obra y una gestión adecuada que permita maximizar su vida útil y minimizar el costo del agua extraída, todo esto sin afectar las propiedades físicas del acuífero o las propiedades químicas del agua que contiene.

Se debe tener claro en el agua subterránea, la diferencia que existe entre el caudal que extrae una obra de captación en particular y el caudal que es capaz de erogar el acuífero en ese punto, manteniendo sus propiedades a través del tiempo.

La prospección y exploración del agua subterránea se basa en un sólido conocimiento geológico, de las propiedades del agua en el seno de las rocas tanto estáticas como dinámicas, y de los métodos indirectos de estudio del subsuelo (censores remotos o geofísica).

La ubicación precisa (en un radio de decenas de metros) en un acuífero poroso es irrelevante. Sabiendo que las unidades geológicas capaces de constituirse en un acuífero poroso son las rocas sedimentarias, con disposición prácticamente horizontal, no existe un lugar único y preciso donde perforar. Dependerá el lugar de parámetros económicos (en una zona baja para perforar menos metros) o estratégicos (lejos de pozos negros o desagües sanitarios, etc.).

En el caso de los acuíferos de fisura el sitio preciso de perforación es crítico. Las zonas de fractura son prácticamente verticales, con espesores variables pero siempre varios ordenes de magnitud menor que la longitud. Como ya se ha mencionado, la profundidad a perforar no debe exceder los 50 a 60 metros.

Las obras de captación pueden ser de varios tipos, algunas convencionales (pozos excavados, pozos perforados, cachimbas) o no convencionales (drenes horizontales, pozos puntuales, zanja y colector, galerías filtrantes, etc.).

Los pozos excavados

Son de gran diámetro (por lo general 0.8 a 1.2 metros, pero pueden llegar a más de 3 metros) con paredes forradas con materiales permeables (piedras ladrillos y anillos de cemento) donde el terreno es deleznable o pared desnuda si el terreno es autoportante. El brocal en si es la construcción que se encuentra por encima de la superficie del terreno, que aconsejablemente debería contar con una tapa de cierre prácticamente hermético. Se perforan a mano, a fuerza de pala, pico y barreta.

El agua subterránea ingresa al pozo fundamentalmente por su piso. Eventualmente podría infiltrarse por las paredes, pero el método de construcción no permite adentrarse muchos metros en la zona saturada del acuífero. El constructor perfora el suelo y el acuitardo sin que aparezca agua subterránea. En el momento que rompe el techo del acuífero el agua ingresa a la perforación y asciende hasta alcanzar el nivel piezométrico regional.

Las alternativas son pocas: si el acuífero es de mala calidad (con baja permeabilidad) se puede avanzar algunos metros dentro del nivel poroso, pero si el acuífero es bueno y hay una elevada carga hidráulica el obrero tendrá que abandonar rápidamente la obra y darla por finalizada.

La ventaja sustancial de este tipo de obras se aprecia cuando los acuíferos son pobres. En ese caso, aunque la velocidad de entrada del agua al pozo es lenta, el almacenamiento de la obra permite contar con un volumen considerable de agua que podrá ser aprovechado cuando sea necesario.

Al volumen contenido dentro del pozo perforado se le denomina “volumen de almacenamiento” y puede ser calculado sencillamente como el volumen de un cilindro.

Los pozos perforados a máquina

Se agrupan todas las perforaciones de pequeño diámetro (3” a 10”) realizados con máquinas perforadoras manuales o mecánicas como se observa en la fig.

La mayoría de las perforaciones que se realizan en nuestro país tienen entre 4 y 8 pulgadas de diámetro (pueden llegar a 12 pulgadas en pozos industriales).

Fig. Esquema de un pozo perforado

El encamisado se construye con cañería de PVC o hierro sin costura, atornillados o soldados. El sello sanitario es parte indispensable de una perforación, se construye con hormigón rico en materiales finos y su cometido es evitar la infiltración de aguas superficiales plausibles de estar contaminadas.

Frente a las zonas de aporte de agua subterránea se ubican filtros de distinta naturaleza, que permiten la entrada de agua al interior de la perforación. Por lo general en el fondo de la perforación se dejan algunos metros de “ciego” para que se acumulen los sedimentos que eventualmente entren arrastrados al pozo.

En el caso de los acuíferos sedimentarios entre el filtro y el acuífero se coloca el prefiltro: se trata de una grava fina a media, bien seleccionada, redondeada y cuarzosa, de granulometría específica que impide que las partículas de arena del acuífero lleguen al filtro.

La herramienta de perforación puede ser un tricono en el caso de perforación por rotación, o un martillo de fondo (DTH) en caso de rotopercusión. Cualquiera sea la herramienta, por el interior de la columna de barras huecas circula un fluido (lodo en caso del tricono y aire o espuma en caso del DTH) que tiene por cometido refrigerar y arrastrar los trozos de roca o sedimento que están siendo perforados al exterior.

La perforación por rotación con tricono y lodo es especialmente adecuado a terrenos sedimentarios poco consolidados o rocas sedimentarias pobremente cementadas. La perforación con martillo de fondo y aire comprimido es el método por excelencia para rocas duras: basamento cristalino, basalto, rocas sedimentarias muy cementadas, etc. Las velocidades de avance del martillo de fondo en rocas duras han permitido construir “su pozo en el día” como muchas empresas de perforación lo aseguran en su propaganda.

Una vez que la operación de perforación ha culminado comienza la etapa de armado del pozo. En esta etapa se determina el tipo de encamisado (PVC o hierro); el tipo, ubicación y longitud de la zona filtrante; y la granulometría del prefiltro (si fuese necesario).

A medida que progresa la operación de perforación se van tomando y describiendo las muestras que salen por la boca del pozo (arrastradas por el fluido de perforación), se controlan las velocidades de avance y la viscosidad del fluido. El estudio de estos parámetros permite –junto con el conocimiento de la geología local y el perfilaje del pozo determinar las zonas de aporte de agua subterránea donde deberán colocarse los filtros.

La entrada de agua subterránea al interior del encamisado se realiza a través de la zona filtrante. El diseño, longitud y tipo de filtro condicionará buena parte de la eficiencia de la perforación. Las condiciones ideales establecen que la perforación debería atravesar completamente acuífero y que la zona filtrante debería abarcar desde el piso al techo del mismo (estas condiciones se denominan “pozo completo totalmente penetrante”). Razones de costo obligan a recortar los metros de filtro, o a improvisarlos ranurando o agujereando el encamisado, redundando en una significativa disminución de la eficiencia de la obra.

Los filtros de mejor calidad se denominan “de ranura continua” (ver fig.), y se componen de un hilo de alambre de acero o hierro galvanizado de sección trapezoidal que forma un helicoide alrededor de una serie de alambres verticales que constituyen el esqueleto del filtro.

Fig. Rejilla de tipo de ranura continúa

Fig. Esquema de la pared del acuífero – encamisado

En los acuíferos porosos inconsolidados, es necesario colocar un prefiltro para evitar que las partículas sedimentarias ingresen al pozo o tapen el filtro.

El prefiltro es un paquete de grava fina a media, cuya granulometría se determina a partir de las muestras extraídas durante la operación de perforación.

Una vez que el prefiltro está colocado, frente a los filtros, se debe desarrollar. El desarrollo es una etapa imprescindible de la construcción de la perforación que tiende a seleccionar granulométricamente el prefiltro, dejando las fracciones más groseras pegadas a las ranuras del filtro y las más finas junto a la pared del acuífero (ver fig.).

La terminación de la obra comprende la construcción del sello sanitario y el cierre hermético en la boca del pozo.

El sello sanitario se diseña para cada perforación según las condiciones superficiales. Por lo general incluye 1 a 3 metros de encamisado ciego desde la superficie donde el espacio anular entre la pared del tubo y la pared del acuífero se llena con una mezcla de bentonita, arcilla y cemento pórtland. La parte superior del sello sanitario incluye una plataforma o dado cuadrado de hormigón de 1 metro de lado.

El objetivo del sello sanitario es evitar la entrada a la perforación de aguas superficiales contaminadas. El diseño podrá variar sustancialmente si la obra se emplaza en un sitio limpio (descampado) o junto a obras de saneamiento domiciliario (letrinas, pozos negros), salidas de efluentes de tambos, chiqueros, playas de estacionamiento y lavado de vehículos, etc.

La boca de la perforación debe mantenerse por encima del terreno circundante, cerrarse herméticamente para evitar que entren animales o se tiren residuos en su interior. A veces se construyen tapas de hierro con una bisagra y candado y a veces se pegan tapas de PVC con silicona.

En el momento en que una perforación se explota, el agua que está almacenada en el acuífero entra al pozo por la zona filtrante. A medida que la bomba genera un descenso del nivel piezométrico en el interior del pozo se forma un gradiente hidráulico centrado en la perforación. Este gradiente obliga al agua subterránea a moverse con velocidades progresivamente mayores a medida que se acerca a los filtros.

Eventualmente puede alcanzarse un equilibrio entre el caudal de agua subterránea que entra a la perforación a través de los filtros y el caudal que eroga la bomba. En esas condiciones el nivel piezométrico dentro de la perforación se estabiliza y se dice que se ha alcanzado el “régimen permanente de explotación”.

Aparecen entonces una nueva terminología que se aplica a los niveles piezométricos relacionada a la explotación (ver fig.):

Ø Nivel Estático (NE).- Es el nivel piezométrico del agua en el acuífero antes de comenzar la explotación (condiciones iniciales).

Ø Nivel Dinámico (ND).- Es el nivel piezométrico del agua en el acuífero cuando se alcanza el régimen permanente de explotación.

Ø Descenso (s).- Es la diferencia entre los niveles dinámico y estático (s = ND – NE).

Fig. Niveles piezométricos – fuente (Centro Regional de Ayuda Técnica (AID), Manual de los pozos pequeños)

El bombeo genera una depresión en la superficie piezométrica centrada en el pozo que se llama “cono o embudo de descensos”. Si para un caudal específico se alcanza el régimen permanente, a alguna distancia determinada del pozo los descensos serán despreciables. Esa distancia se denomina “radio de influencia”.

Si existiesen otros pozos dentro de la zona de influencia de una perforación que está siendo bombeada, los niveles piezométricos descenderían hasta acomodarse al cono de descensos; a este efecto se le suele conocer como “competencia” entre pozos o más específicamente “efecto de interferencia”.

Un parámetro fundamental para gestionar una perforación semisurgente es el caudal específico (q_e). El caudal específico se define como el caudal erogado por metro de descenso, y se calcula según la siguiente fórmula: q_e = Q/s, donde Q es el caudal de bombeo y s el descenso.

La determinación del caudal específico se realiza empíricamente mediante un bombeo a caudal constante que usualmente se sitúa entre el 30% y el 50% del caudal máximo de la bomba. Antes de comenzar el bombeo se controla el nivel estático y se lo registra cuidadosamente, se inicia el bombeo y se controla periódicamente el nivel piezométrico hasta que se alcance el nivel dinámico. Determinado los niveles estático y dinámico se calcula el descenso y el caudal específico.

Conocido el caudal específico puede calcularse el caudal de bombeo para mantener el nivel dinámico a una profundidad determinada. El descenso máximo permitido en una perforación obedece a:

Ø La profundidad de succión de la bomba.- No se debe dejar a la bomba succionar aire, ya que pueden darse fenómenos de cavitación y destruir los rotores o quemar la bomba.

Ø La profundidad del primer filtro.- Si se deja un filtro al aire, el agua subterránea en contacto con el aire precipita las sales que lleva disueltas, favoreciendo la obstrucción de las ranuras que con el tiempo pueden sellarlas completamente.

El último aspecto relacionado con la explotación del agua subterránea hace referencia al manejo o gestión del recurso. Se debe evitar la sobreexplotación de la perforación y el acuífero al sobredimensionar el caudal de bombeo o debido a la ausencia de un régimen de bombeo que contemple la recuperación diaria del nivel estático.

Si una perforación se bombea a un caudal mayor al óptimo, puede no alcanzarse el régimen permanente y los descensos alcanzar a los filtros o a la succión de la bomba. Si este fenómeno se prolonga durante un lapso considerable se puede quemar la bomba u obstruir los filtros, redundando en una disminución progresiva del caudal que el pozo es capaz de brindar. El ciclo se retroalimenta negativamente: cuanto más obturados están los filtros, menor es el caudal que puede entrar al pozo, menor es la eficiencia de la perforación, y mayor es el descenso provocado a igual caudal de bombeo; lo que lleva a dejar más filtros expuestos al aire, que se obturarán con sales, etc.

El régimen de bombeo determina las horas de bombeo diarias de una perforación contemplando un período de recuperación. La recuperación es el fenómeno que se produce una vez que cesa el bombeo y el nivel piezométrico asciende desde el nivel dinámico al nivel estático. La superficie piezométrica que durante el bombeo tenía forma de embudo o cono vuelve a su posición original, y los poros de la roca que fueron vaciados de agua durante la explotación se llenan de agua.

Si no se permite la recuperación durante lapsos prolongados, en los poros que antes contenían agua comienza a precipitar sales, disminuyendo la porosidad y permeabilidad del acuífero. Este fenómeno tiende a disminuir el caudal que el acuífero es capaz de aportar a la perforación.

Un régimen de bombeo adecuado contempla al menos 6 horas de recuperación por día (18 horas de bombeo), aunque el valor exacto del período de recuperación se determina empíricamente al culminar un ensayo de bombeo.