Hidrogeología. Tema 9 T9. PROSPECCIÓN N Y EXPLOTACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERÁNEAS. Luis F. Rebollo. Luis F. Rebollo

Transcripción

1 Hidrogeología Tema 9 PROSPECCIÓN N Y EXPLOTACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS 1 T9. PROSPECCIÓN N Y EXPLOTACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERÁNEAS 1. La exploración n de las aguas subterráneas. 2. Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas. 3. Exploración n en rocas volcánicas. 4. Exploración n en rocas sedimentarias. 5. Exploración n en depósitos no consolidados. 6. Prospección n geofísica de superficie y en sondeos. 7. Inventario de puntos de agua. 8. Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos. 9. Captación n y explotación n de las aguas subterráneas. 2 1

2 1. La exploración n de las aguas subterráneas. Exploración n hidrogeológica gica Conjunto de acciones que permiten la localización de acuíferos de los que se puede obtener agua en cantidad y de calidad adecuada para el fin que se pretende. Técnicas de exploración Elaboración de mapas e informes hidrogeológicos Estudios geofísicos de superficie Muestreo de perforaciones Registro geofísico en pozos 3 1. La exploración n de las aguas subterráneas. Planificación n del programa de reconocimiento de campo 1. Información topográfica 2. Información geológica 3. Información geofísica 4. Inventario de puntos de agua 5. Aforos de corrientes superficiales 6. Evaluación de las precipitaciones y de la evapotranspiración 7. Uso de las aguas superficiales y subterráneas 8. Características físico-químicas de las aguas superficiales y subterráneas 4 2

3 1. La exploración n de las aguas subterráneas La exploración n de las aguas subterráneas. 6 3

4 1. La exploració exploración de las aguas subterrá subterráneas La exploració exploración de las aguas subterrá subterráneas. 8 4

5 1. La exploración n de las aguas subterráneas Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas. Las rocas plutónicas y metamórficas ocupan la quinta parte de los continentes (en España afloran en el 30% de su superficie). Son rocas generalmente poco permeables y de escasa capacidad de almacenamiento de aguas subterráneas. Pueden tener interés local (para atender pequeñas demandas). El agua procede de las zonas alteradas y/o fracturadas, por lo que normalmente la permeabilidad se reduce en profundidad ( pozos generalmente someros, ya que la explotación efectiva se reduce a las primeras decenas de m). Ubicación de pozos muy difícil: elevada anisotropía porcentaje de fracasos. 10 alto Porosidad < 3% en muestras no alteradas; permeabilidad muy baja (acuífugos). Caudales de explotación < 1,5 L/seg (valores máximos en zonas intensamente alteradas y/o fracturadas, mejor en fondos de valle, óptimo si son mármoles karstificados). Excelente calidad química, en general. Alta vulnerabilidad. 5

6 2. Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas. 12 6

7 2. Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas. 14 7

8 2. Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas. Caudales de explotación bajos que disminuyen con la profundidad Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas. Son raros los pozos con caudales importantes 16 8

9 2. Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas. La posición topográfica de los pozos influye Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas. 18 9

10 2. Exploración n en rocas plutónicas y metamórficas Exploración n en rocas volcánicas. Algunas características hidrogeológicas de las rocas volcánicas: Tienen menor importancia en extensión que las demás rocas endógenas, pero son de gran interés en muchas islas oceánicas (Hawai, Canarias, ) y en regiones donde constituyen el sustrato básico (Dekkan, Centroamérica, ). Presentan valores extremos de transmisividad, según se trate de cientos de m de coladas de lava superpuestas muy permeables (algunos basaltos recientes) o rocas impermeables (porosas o no: tobas volcánicas y diques).. Porosidad muy variable (entre 1%, en basaltos compactos, y 80%, en algunas pumitas; diques < 5%). Permeabilidad muy diversa (mayor en sentido lateral, entre coladas), que disminuye con la edad del material. Explotación en muchos casos a base de galerías, por la frecuente compartimentación de los acuíferos (y la escasa elevación de la superficie piezométrica en acuíferos costeros muy transmisivos). Proporcionan caudales elevados. Buena calidad química en general: aguas bicarbonatadas cálcicomagnésicas o sódicas. Alta vulnerabilidad

11 3. Exploración n en rocas volcánicas Exploración n en rocas volcánicas. Un ejemplo de anisotropía 22 11

12 3. Exploración n en rocas volcánicas Exploración n en rocas volcánicas

13 3. Exploración n en rocas volcánicas. Sistemas de captación a base de galerías o túneles Exploración n en rocas sedimentarias. Representan sólo el 5% del total de rocas de la corteza, pero ocupan el 75 % de la superficie continental. De ahí su interés. Su disposición geométrica y mecanismo de depósito influye: forma tabular plegamiento y/o fracturación variabilidad lateral y vertical. Rocas sedimentarias detríticas: porosidad intergranular. Rocas sedimentarias químicas: porosidad y permeabilidad adquirida por fracturación y disolución (karstificación). Por su volumen dominan las arcillas/limolitas/argilitas (50%), las areniscas y las rocas carbonatadas; los conglomerados y yesos sólo representan un 2%

14 4. Exploración n en rocas sedimentarias. Lutitas: m t muy alta, m e muy baja; disminuye con la profundidad (pasan de 70% a 30% de m t en miles de m). Areniscas: m t entre 5 y 30%, y entre 1 y 10% de m e según grado de litificación. Frecuentemente tienen un comportamiento semejante al de las rocas cristalinas. Calizas y dolomías: Porosidad y permeabilidad primarias de valor moderado o bajo (salvo brechas, lumaquelas y calizas recifales), que aumenta por dolomitización y karstificación (la permeabilidad puede pasar de <10-3 a miles de m/d, según naturaleza y fenómenos sufridos). Alta anisotropía, condicionada a la estructuración de la roca resultados muy dispares en los pozos (mejor ubicarlos en charnelas de anticlinales, en valles y en zonas muy fracturadas). Caudales esperables de hasta decenas de L/seg. Salvo las lutitas (<0,5 L/s) y ciertas calizas karstificadas (pueden ser >150 L/s, incluso de miles de L/s en surgencias de extensos macizos). Calidad química del agua aceptable (baja mineralización en areniscas; dureza moderada o alta en acuíferos calcáreos), salvo en evaporitas, que pueden tener varios g/l de sales Exploración n en rocas sedimentarias

15 4. Exploración n en rocas sedimentarias Exploración n en rocas sedimentarias

16 4. Exploración n en rocas sedimentarias Exploración n en depósitos no consolidados. Es habitual que la exploración hidrogeológica de una región cualquiera comience por el reconocimiento de los materiales poco consolidados. Algunas razones de esta prioridad: gran facilidad de excavación y perforación, por su escaso grado de litificación su prospección mecánica es rápida y económica; suelen rellenar fondos de valles o estar localizados en depresiones del terreno normalmente el nivel freático está a escasa profundidad bajos costes de elevación del agua; posición topográfica próxima a corrientes fluviales o lagos posibilidad de recarga natural a partir de ríos o lagos; carencia de cemento y escasa compactación valores altos de porosidad total (y muchas veces efectiva), máximos valores de permeabilidad (con algunas excepciones)

17 5. Exploración n en depósitos no consolidados. Tipos de rocas y materiales no consolidados Son muchos y muy variados, con diversas características hidrogeológicas: aluviones de origen fluvial, depósitos de abanico aluvial, depósitos morrénicos, acumulaciones de loess y dunas recientes, depósitos litorales, coluviones, Por su presencia generalizada en cualquier región, destacan los acarreos fluviales, que constituyen acuíferos de gran interés práctico; asimismo, los sedimentos que rellenan cuencas intermontanas, depositados generalmente en ambientes de abanico aluvial y lacustre, por el gran espesor y extensión que ocupan en muchas cuencas Exploración n en depósitos no consolidados. Aluviales Copiapó (Chile) Depósitos cenozoicos (Madrid) 34 17

18 5. Exploración n en depósitos no consolidados. Características hidrogeológicas de estos materiales Gran variabilidad en la vertical y lateralmente, como consecuencia del propio mecanismo de sedimentación y de las condiciones del ambiente de depósito. Estos cambios pueden afectar al comportamiento hidrogeológico del medio, perdiendo homogeneidad e isotropía, y llegando, en muchas ocasiones, a actuar como sistemas "multicapa" (alternancia en la vertical de acuíferos y acuitardos o acuicludos). Las lutitas poseen una porosidad muy alta (hasta el 70%), si bien su porosidad efectiva es mucho menor. Dependen del tamaño de los clastos y su selección, y del grado de compactación/cementación Exploración n en depósitos no consolidados. Las arenas poseen valores más bajos de m t (10% - 40%, en función de la heterometría y grado de cementación), y mejores valores de m e (5%-30%), adquiriendo el máximo las arenas gruesas, sobre todo si están bien seleccionadas. El comportamiento hidrogeológico de los materiales no consolidados es enormemente variable pueden constituir desde excelentes acuíferos (los depósitos más groseros y seleccionados) a acuicludos sumamente impermeables (los materiales de grano más fino a cierta profundidad, formando acuicludos o barreras confinantes (algunas < 10-6 ó 10-7 m/día) gran capacidad de sellado)

19 5. Exploración n en depósitos no consolidados. Prospección hidrogeológica Debe estar guiada por un detallado estudio geológico, y a veces geofísico, que proporcione el conocimiento necesario del medio para descubrir la geometría del depósito y los patrones estratigráficos de su distribución. Frecuentemente la productividad de las captaciones en este tipo de terrenos depende de esas pautas de sedimentación. Los depósitos fluviales (llanuras aluviales y terrazas) presentan un gran interés, por estar conectados hidráulicamente en muchos casos a los ríos que los han originado incluso las terrazas, particularmente si están encajadas o solapadas-, aunque la reducida extensión y espesor medio de estas formaciones (entre unos metros y algunas decenas) y su importante heterogeneidad limitan sus posibilidades de explotación Exploración n en depósitos no consolidados

20 5. Exploración n en depósitos no consolidados Exploración n en depósitos no consolidados. Las cuencas intermontanas o depresiones tectónicas permiten albergar enormes volúmenes de sedimentos (a veces de cientos o miles de metros de espesor). Aunque su permeabilidad sea moderada (y muy variable desde las zonas apicales y distales a las zonas intermedias del depósito, generalmente de abanicos aluviales) y decreciente con la profundidad, la elevada potencia de estos sedimentos permite que el espesor de la ZS sea muy importante, con muy altos valores de transmisividad. En estos ámbitos son frecuentes los cambios de facies (laterales y verticales), lo que complica la predicción del comportamiento del medio hidrogeológico a escala local. Este tipo de acuíferos suelen denominarse sistemas multicapa, cuyo funcionamiento es semejante en muchos casos al de un conjunto de acuíferos separados por acuitardos y acuicludos

21 5. Exploración n en depósitos no consolidados Exploración n en depósitos no consolidados. Fácil perforación (e incluso excavación a mano), por su escasa consistencia. Captación y explotación muy asequible, aun con escasos medios técnicos y económicos. Elevada transmisividad en muchos casos gran aprovechamiento potencial de estos recursos (aunque la elevación del agua subterránea desde zonas muy profundas supone dificultades económicas y técnicas). Caudales de varios l/seg (ocasionalmente > 200 l/s en ciertos depósitos fluviales, particularmente si están recargados por ríos inmediatos interesantes los pozos de drenes radiales (actúan como un pozo de gran diámetro, al ampliar el radio efectivo de influencia). Atención a las explotaciones intensas o abusivas posible agotamiento de formaciones aluviales o, en los grandes valles tectónicos, posible compactación de los niveles más porosos y productivos disminución de la transmisividad e, incluso, asentamientos y subsidencia del terreno

22 43 5. Exploración n en depósitos no consolidados

23 5. Exploración n en depósitos no consolidados. Calidad química aceptable (o muy buena), con una débil mineralización (materiales eminentemente silíceos). La proximidad del nivel freático a la superficie del suelo y a los cursos fluviales facilita la posibilidad de contaminación. Posibilidad de empeoramiento de la calidad del agua subterránea asociada a los flujos regionales en cuencas de gran extensión y profundidad posibilidad de altas concentraciones de elementos solubles (sobre todo alcalinos), por intercambio iónico con el medio litológico. Otros materiales no consolidados cuyas aguas pueden presentar problemas de calidad son los del litoral, ya sean depósitos fluviales de estuario o de naturaleza deltaica o depósitos de llanura costera es frecuente que contengan aguas salobres a cierta profundidad su explotación debe limitarse a los niveles más superficiales y en cantidades razonables, a fin de evitar la intrusión marina Exploración n en depósitos no consolidados

24 6. Prospección n geofísica de superficie y en sondeos. IAB VMN A M N B Líneas equipotenciales Líneas de corriente Tomado de ACH To measure resistivities, a continuous current is injected into the ground using 2 electrodes A and B. This creates a potential difference (DV) that is measured between electrodes M and N. For a given piece of information, the investigation depth is a function of the spacing of electrodes A and B. Electrical sounding DC-1D allows identification (in 1 dimension) of the succession of the formations between electrodes M and N with depth Prospección n geofísica de superficie y en sondeos

25 6. Prospección n geofísica de superficie y en sondeos. SEV 1000 resistividad en ohm/m AB/2 en metros R a = 200 Ω.m Ra = Ω.m Ra = 500 Ω.m Ra= Ω.m resistividad en ohm/m SEV Es necesario un conocimiento previo de la geología local Buena relación coste/eficiencia Fácil manejo AB/2 en metros Prospección n geofísica de superficie y en sondeos

26 Profundidad 6. Prospección n geofísica de superficie y en sondeos Prospección n geofísica de superficie y en sondeos. 5 formaciones Schlumberger Resistividad Espesor Naturaleza 208 Ω.m 0,50 m suelo superficial 857 Ω.m 3,68 m gravas secas 18,2 Ω.m 21,82 m arena + agua 95 Ω.m 18 m arena arcillosa 780 Ω.m sustrato inalterado Resistividad posible acuífero Resistividad ( m) = K x V / I Tomado de ACH AB/2 en metros 26

27 6. Prospección n geofísica de superficie y en sondeos. B N resistivity meter N32 N16 N8 A Resistivity and temperature of water PS resistivity = VMN / IAB 100 m 1000 m 5 10 Depth (m) Prospección n geofísica de superficie y en sondeos. resistivity = VMN / IAB 100 m 1000 m 5 10 Depth (m) Tomado de ACH 54 27

28 6. Prospecció Prospección geofí geofísica de superficie y en sondeos Inventario de puntos de agua. Es la herramienta más útil y barata para obtener información hidrogeológica de una zona. Consiste en recopilar los datos hidrogeológicos de las obras, lugares o circunstancias que permitan un acceso directo o indirecto a los acuíferos de la región (pozos, sondeos, excavaciones, lagos, rezumes, etc.). De cada punto inventariado se debe obtener: Columna litológica de la perforación o situación geológica del manantial. Posición del nivel piezométrico. Caudales de agua explotados. Características físico-químicas del agua. Evolución temporal del nivel, del caudal y de la química. Comentarios de los usuarios, contratista, encargados o conocedores del lugar. Localización geográfica y altimétrica precisa de la referencia (GPS, altímetro, topografía). Todos los demás datos que se precisen para el conocimiento hidrogeológico del punto. Los datos de cada punto inventariado se llevan una ficha

29 57 7. Inventario de puntos de agua

30 8. Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos. Mapa hidrogeológico de España 1: Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos

31 8. Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos. Fuente: UNESCO/IASH/IAH (1970) 62 31

32 8. Mapas y perfiles hidrogeoló hidrogeológicos. 0 Formaciones detríticas permeables en general no consolidadas 40 km Formaciones carbonatadas permeables por fisuración-karstificación Acuíferos extensos y permeables Formaciones de baja permeabilidad Acuíferos muy permeables, extensos y productivos Acuíferos extensos, discontinuos y locales, de permeabilidad moderada. Acuíferos extensos y de permeabilidad moderada Formación de baja permeabilidad Formación de muy baja permeabilidad Mapas y perfiles hidrogeoló hidrogeológicos Acuíferos detríticos Acuíferos carbonatados Numeración cuenca hidrográfica 03 Tajo 02 Duero 09 Ebro 40 km Impermeables Polígono envolvente Numeración Unidad Hidrogeológica

33 8. Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos

34 8. Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos

35 8. Mapas y perfiles hidrogeológicos. gicos. Precipitación Río Jarama Río Torote Río Henares K 1 K 2 K 1 K 2 K 3 Relación de permeabilidades k 1 > k 2>k3 Linea de flujo Superficie libre del agua Manantiales UH UH Captación n y explotación n de las aguas subterráneas. Sistemas de perforación Percusión 70 35

36 9. Captación n y explotación n de las aguas subterráneas. Sistemas de perforación Balancín Polea Cable Montera Destrabador Motor Barrón Trépano Mástil Polea del eje central Biela Tubería conductora Percusión 71 Cable-tool drilling in volcanic lava sub-contracted to ACF. Afar, Ethiopia, Captación n y explotación n de las aguas subterráneas. Sistemas de perforación Rotación con circulación directa de lodos 72 36

37 Sistemas de perforación Rotación con circulación directa de lodos Los sistemas de rotación consisten en hacer rotar un útil de corte. Burbuja de agua Fosas de decantación Compresor de aire Bomba de lodos Los detritus son evacuados mediante un circuito de lodos que además enfría el trépano y mantiene las paredes de la perforación. Circulación directa: el lodo entra por el varillaje y retorna por el anular de la perforación. Materiales favorables: formaciones detríticas y sedimentarias moderadamente duras. Cabeza de rotación Estructura de la máquina Taponamiento o mala evacuación de cuttings Utilización de lodo Acuífero Sustrato impermeable Dibujos y animación: Álvaro de Vicente Captación n y explotación n de las aguas subterráneas. Sistemas de perforación Rotación con circulación inversa de lodos 74 37

38 Sistemas de perforación Burbuja de agua Fosas de decantación Bomba de lodos Rotación con circulación inversa de lodos Circulación inversa: el lodo entra por el anular de la perforación y sale por el varillaje. Materiales favorables: formaciones blandas, no abrasivas y no fracturadas. Más limpio, rápido y barato que la circulación directa. Tiene más riesgo de caída de paredes. Acuífero Dibujos y animación: Álvaro de Vicente 75 Sustrato impermeable 9. Captación n y explotación n de las aguas subterráneas

39 Sistemas de perforación Circulación Directa Rotación Circulación directa e inversa Circulación Inversa Toledo Madrid Captación n y explotación n de las aguas subterráneas. Sistemas de perforación Rotopercusión con circulación inversa 78 39

40 Sistemas de perforación Rotopercusión Compresor de aire La rotopercusión utiliza aire a presión para girar y rotar un martillo en el fondo de la perforación. El aire también enfría el martillo y expulsa los detritus. Materiales favorables: formaciones consolidadas de media a alta dureza. Es el único sistema capaz de perforar adecuadamente en rocas ígneas y metamórficas. Es muy rápido (hasta 100 metros al día), pero no puede perforar con grandes diámetros. Dibujos y animación: Álvaro de Vicente 79 Cabeza de rotación Estructura de la máquina Aire + Varacuttings de perforación Martillo Acuífero Sustrato impermeable 9. Captación n y explotación n de las aguas subterráneas

41 9. Captación n y explotación n de las aguas subterráneas. Sistemas de perforación Captación n y explotación n de las aguas subterráneas

42 9. Captació Captación y explotació explotación de las aguas subterrá subterráneas Captació Captación y explotació explotación de las aguas subterrá subterráneas. Esquema de instalación de un pozo 84 42

43 9. Captación n y explotación n de las aguas subterráneas Captación n y explotación n de las aguas subterráneas. DESARROLLO Y AFORO DE LA CAPTACIÓN 86 43