CORPORACION AUTONOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA CVC DIRECCION TECNICA AMBIENTAL

Transcripción

1 CORPORACION AUTONOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA CVC DIRECCION TECNICA AMBIENTAL ANALISIS Y EVALUACION DE ENSAYOS DE BOMBEO EN LA ZONA PLANA DEL DEPARTAMENTO DEL VALLE DEL CAUCA PARA LA DETERMINACION Y ZONIFICACION DE PARAMETROS HIDROGEOLOGICOS INFORME PRESENTADO POR: JUAN GEOVANY BERNAL Ing. Agrícola SANTIAGO DE CALI ABRIL DE 2006

2 TABLA DE CONTENIDO Pagina 1. INTRODUCCIÓN 1 2. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO Ubicación Geográfica Características Climáticas Geología Superficial Geología del Subsuelo 3 3. METODOLOGIA Digitación de la Información Recolección de Información del Pozo Evaluación de los Datos Obtención de Parámetros Hidrogeológicos 5 4. PRUEBAS DE BOMBEO Evaluación de una Prueba de Bombeo Supuestos Básicos Régimen de Flujo 8 5. MÉTODOS DE ANÁLISIS Acuíferos Confinados Acuíferos Semiconfinados Acuíferos Libres RESULTADOS Trasmisividad Hidráulica Conductividad Hidráulica Capacidad Específica Coeficiente de Almacenamiento VALIDACION DE RESULTADOS CALIDAD DE LA INFORMACION Cambio Brusco en las Revoluciones en el Equipo de Bombeo Pozo de Observación Prueba de Recuperación Pruebas Escalonadas COCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA 34

3 LISTA DE FIGURAS Pagina Figura 1. Ubicación Geográfica de la Zona de Estudio 2 Figura 2. Mapa Geológico de la Zona Plana del Departamento del Valle del 4 Cauca Figura 3. Diagrama de Flujo para la Evaluación de Pruebas de Bombeo 4 Figura 4. Ilustración Método de Hantush para Condiciones de Anisotropía 8 Figura 5. Dirección de Flujo hacia una Sección Unitaria 9 Figura 6. Acuífero Confinado 10 Figura 7. Recta de Jacob evaluada en AquiferTest 11 Figura 8. Selección Método de Análisis para Acuíferos Confinados 12 Figura 9. Acuífero Semiconfinado 13 Figura 10. Función de Pozo W(u,r/L) de Hantush 14 Figura 11. Selección Método de Análisis para Acuíferos Semiconfinados 14 Figura 12. Acuífero Libre 15 Figura 13. Corrección de Descenso para Acuíferos Libres 16 Figura 14. Zonificación de Iso-Trasmisividades para la zona plana del Valle 21 del Cauca Figura 15. Zonificación de Iso-Conductividades para la zona plana del Valle 22 del Cauca Figura 16. Zonificación de Capacidades Especificas Periodo para 23 la zona plana del Valle del Cauca Figura 17. Zonificación de Capacidades Especificas Periodo para 24 la zona plana del Valle del Cauca Figura 18. Aproximación de Datos a la Curva Tipo de Theis por el Método 25 de Hantush Figura 19. Cambio Brusco de Revoluciones en una Prueba de Bombeo 28 Figura 20. Comportamiento de Datos en un Pozo de Observación 28 Figura 21. Dudosa Correlación de Datos en una Prueba de Bombeo 29 Figura 22. Comportamiento de Datos en una Prueba de Recuperación 29 Figura 23. Distribución de Datos en una Prueba Escalonada 30

4 LISTA DE CUADROS Pagina Cuadro 1. Clasificación porcentual de Trasmisividades 17 Cuadro 2. Comparación entre un grupo de Conductividades calculadas con 18 distinto espesor b- Cuadro 3. Clasificación porcentual de Conductividades 19 Cuadro 4. Variación en el tiempo de Capacidades Especificas en la zona 20 plana del Dpto. del Valle del Cauca. Cuadro 5. Valores de Coeficiente de Almacenamiento en la zona plana del 20 Dpto. del Valle del Cauca. Cuadro 6. Comparación de criterios de selección para un Grupo de Trasmisividades en la zona plana del Dpto. del Valle del Cauca. 27

5 1 1. INTRODUCCION En el Departamento del Valle del Cauca se presenta una creciente demanda de recursos hídricos para uso industrial y de servicios públicos, sin embargo el mayor volumen de consumo se encamina principalmente a la manutención del monocultivo de caña de azúcar, esto ha generado una fuerte presión sobre el recurso a lo largo de todo el Valle geográfico pues la disponibilidad de aguas superficiales no termina por suplir todos los requerimientos de distribución. En consecuencia el aumento en la perforación y explotación de pozos de bombeo, ha impulsado a la CVC a desarrollar de manera más detallada la evaluación de este recurso, con el fin de disponer de la información técnica necesaria para manejar y planificar un aprovechamiento sostenible del mismo. El presente informe contiene como resultado la evaluación y análisis de 950 pruebas de bombeo que se vienen realizando desde hace más treinta años y que se encuentran ubicadas en la zona plana del departamento del Valle del Cauca. Las jurisdicciones Municipales a las que pertenecen dichas pruebas son las siguientes; Buga, San Pedro, Tuluá, Candelaria, Pradera, Florida, Cali, Jamundi, Palmira, Cerrito, Yumbo, Ginebra, Bugalagrande, Cartago, La Unión, Toro, Guacari, Obando, La Victoria, Roldanillo, Zarzal y Vijes Con los resultados de dichas evaluaciones se determinaron parámetros hidrogeológicos como la Trasmisividad (T), la Conductividad Hidráulica (K), el Coeficiente de Almacenamiento (s) y la Capacidad Especifica (CE), los cuales se convierten en insumos importantes para alimentar un sistema de información que permita determinar la oferta y los limites de explotación de la zona en estudio. 2. DESCRIPCION DE LA ZONA DE ESTUDIO 2.1 Ubicación Geográfica El Departamento del Valle del Cauca se encuentra localizado en la zona suroccidental de la Republica de Colombia, cuenta con zona costera sobre el Océano Pacifico y es atravesado por dos cordilleras (la central y la Occidental) las cuales delimitan una extensa planicie aluvial que es surcada por el segundo río más importante del País. (Ver Figura 1). El análisis de la información se realizo para toda la zona plana del Departamento del Valle del Cauca, en donde se presenta una gran densidad de pozos profundos explotados principalmente para uso agrícola y agroindustrial, con creciente tendencia a incrementar la demanda actual debido a la constante escasez de aguas superficiales así como de su creciente contaminación. El principal cauce de esta zona es el Rió Cauca que recorre el Departamento de sur a norte y cuenta con importantes afluentes que drenan sus aguas a lado y lado del río. En la margen derecha sobresalen los ríos Desbaratado, Frayle, Bolo, Amaime, Guadalajara, Bugalagrande, Tulúa, Morales y La Vieja. Y en la margen izquierda se presentan los ríos Jamundi, Cali y Riofrío. Desde el sur del Departamento hasta el norte del mismo se presenta una variación altitudinal que va de 900 a 1000 msnm.

6 2 Zona de Estudio 2.2 Características Climáticas: Figura Nº 1 Ubicación de la zona de Estudio La ubicación de la zona plana del Valle del Cauca hace que se presente una fuerte insolación con temperaturas relativamente altas y uniformes durante todo el año, también presenta periodos o estaciones de diferente pluviosidad en el año. Se puede entonces definir como una zona climática cálida moderada donde la temperatura media es de 24 C, la humedad relativa promedio es de 75% y su precipitación oscila entre de 1000 a 1200 mm anuales, la evaporación promedio es de 1500 mm/año. Existen dos periodos de bajas precipitaciones (Enero-Febrero y Junio-Septiembre) y dos de altas precipitaciones (Marzo- Mayo y Octubre-Diciembre) Geología Superficial: El valle del Río Cauca se constituye en una gran unidad morfológica regional de planicie aluvial desarrollada por la dinámica del río Cauca durante el período cuaternario, delimitado por las cordilleras Occidental y Central 2. 1 Proyecto de Modelación del Rió Cauca. Eidenar, Cali Junio de Idem.

7 3 Los diferentes tributarios que drenan al río en la margen derecha (en sentido sur-norte), depositaron gran cantidad de sedimentos constituidos principalmente por rocas metamórficas, volcánicas e intrusivas. A su vez que los ríos de la margen izquierda al salir de la región montañosa y encontrar una disminución en la pendiente depositaron grandes cantidades de sedimentos de rocas volcánicas y diabasas. De esta manera se originaron los conos de deyección o abanicos aluviales que provienen de la erosión de ambas cordilleras y se ubican principalmente hacia las estribaciones de las mismas, ya en las proximidades a la llanura aluvial del río Cauca se encuentran sedimentos constituidos por depósitos del mismo río. A lo largo del valle se encuentran afloramientos de diversos macizos rocosos conformados por diferentes tipos de rocas que constituyen controles litológicos y restringen la movilidad horizontal del cauce del río Cauca. A lo largo del río también se encuentra un estrato aparentemente resistente a la erosión, denominado usualmente caliche. Esta capa podría constituirse como un posible aislamiento de intercambio río-acuífero en algunos sectores del área de estudio. En la Figura 2. Se puede apreciar las características geológicas de la zona de estudio Geología del Subsuelo: Los sedimentos del subsuelo en la zona plana del departamento del Valle del Cauca están constituidos por un importante relleno aluvial en un área de 3400 km 2, este deposito se encuentra dentro de la gran fosa del Cauca formada por movimientos tectónicos hace millones de años. Con base en las perforaciones realizadas en la zona, y a los registros geoelectricos, se ha podido concluir que la llanura aluvial del río Cauca presenta una sola unidad acuífera con 2 niveles bien definidos, estos niveles se aprecian bien diferenciadas hacia el sur de la planicie; a 1 Km en la margen izquierda tomada desde el eje del Río Cauca y a 7 Km. en la margen derecha del mismo. Esta diferenciación de niveles se pierde hacia el pie de monte de las cordilleras, es decir en los conos aluviales en donde se observa la unidad acuífera sin mayores interferencias; conformada por depósitos permeables con algunas intercalaciones de arcilla que no presentan gran variación respecto a la profundidad. A continuación se describe el depósito aluvial del río Cauca y sus tributarios según estudios realizados por la CVC: Nivel Superior del Acuífero: Esta constituido por una alternancia de sedimentos permeables e impermeables con acuíferos libres y semiconfinados principalmente, tiene un espesor promedio de 120 m y un 30 a 40% de sedimentos permeables. Los pozos que aprovechan esta nivel captan unos 35 a 45 m de acuífero con caudales que pueden alcanzar hasta100 litros por segundo en los pozos ubicados sobe la llanura en la margen derecha del Río Cauca. 3 Plan de Manejo Para La Protección de las Aguas Subterráneas en el Valle del Cauca. CVC, 2000.

8 4 Nivel Arcilloso Intermedio: Es una formación constituida principalmente por Arcilla y Limos con algunos lentes muy delgados de gravas y arenas, no se considera como unidad productora de agua, tiene un espesor de unos 80 a 100 m y es el techo de los acuíferos confinados de la unidad C. Nivel Inferior del Acuífero: Localizado generalmente por debajo de los 180 m de profundidad, sin embargo su geometría y localización no están bien definidos tiene acuíferos confinados eventualmente con flujo saltante, de buena capacidad especifica y excelente calidad de agua. Básicamente esta unidad esta constituida por capas de arenas, gravas y algunas veces cantos rodados, intercaladas entre capas de arcillas orgánicas e inorgánicas 4 De la totalidad de pruebas evaluadas en la zona plana del Valle del Cauca, con información de diseño de pozo; el 31.6% equivalente a 259 pruebas se encuentra a menos de 120 metros de profundidad es decir en el nivel superior. Un 50.7% que equivalen a 416 pozos se encuentran localizados en el nivel intermedio, es decir hasta 200 metros de profundidad y 17.7 % del total de pozos se encuentran en el nivel inferior del acuífero a más de 200 metros de profundidad y hasta 450 metros profundidad máxima conocida en la zona. 3. METODOLOGIA En la Figura 3 se describe paso a paso el procedimiento seguido para llegar finalmente a la obtención de los parámetros hidrogeológicos buscados: Digitación de la Información Caudal de Bombeo Nivel Estático # de Ciclos y t de bombeo Descensos Recolección Información del Pozo Longitud Total de Filtros Profundidad de Pozos Evaluación de los Datos Evaluación de Datos como Semiconfinados Evaluación de Datos como No Confinados Evaluación de Datos como Confinados Obtención de Parámetros Hidrogeológicos Selección de Resultados Figura 3. Diagrama de Flujo para la Evaluación de Pruebas de Bombeo. 4 Aprovechamiento y Variación de las Reservas de Aguas Subterráneas en el Valle del Cauca: Medina, 1994.

9 5 3.1 Digitación de la Información: Es la fase inicial de todo el proceso y a su vez es la más larga, de aquí se puede extraer información primaria tal como el nivel estático del pozo antes de la prueba de bombeo, el caudal de bombeo, él numera de ciclos que fueron empleados en la prueba y los descensos del nivel de agua en función del tiempo, además de información adicional como el predio en que se encuentra localizado el pozo así como por quien fue realizada dicha prueba y su respectiva fecha. 3.2 Recolección de Información del Pozo: En este paso básicamente se recolecto la información de cada una de las profundidades de los pozos profundos así como de la longitud total de los filtros, esta información ayuda a dimensionar la unidad acuífera de la que se obtiene la mayor parte del caudal explotado. Además, el conocimiento de la longitud total de los filtros da una idea cercana del espesor de los niveles permeables que están captando cada pozo y con esto se puede aproximar a un valor cercano de espesor de acuífero para obtener la conductividad hidráulica. 3.3 Evaluación de los Datos: Una vez recolectados los datos de entrada, como lo son el descenso de niveles y el tiempo de bombeo, el nivel estático, el caudal de bombeo, la profundidad de pozo y espesor de acuífero- se procede a ingresarlos al Software Aquifer Test 2.5, el cual permite seleccionar el método de evaluación más favorable; para este caso se considero conveniente evaluar los datos con tres procedimientos diferentes para que al final según las características numéricas que describe el acuífero se pudiera escoger el análisis de mejor ajuste, es decir si los datos de cada prueba se comportan como acuífero confinado (Método de Jacob- Confinado), libre (Jacob-No Confinado) o semiconfinado (Hantush). 3.4 Obtención de Parámetros Hidrogeológicos: Inicialmente se calcula la Capacidad Especifica (CE) por medio de una hoja de cálculo con los valores de abatimiento y el caudal correspondiente al primer ciclo de bombeo, pues en este ciclo se presenta el mayor descenso de nivel de agua antes de empezar a estabilizarse. Después se ingresan los datos al software y de la evaluación con los tres métodos distintos, se selecciona la magnitud de Trasmisividad (T) que este dentro del rango de CE*100, como criterio de selección, pues la Capacidad Especifica se comporta como un valor unitario de la Trasmisividad. Simultáneamente se ingresa el espesor del acuífero que para este caso se asume como la sumatoria total de filtros y como se conoce el valor de Trasmisividad entonces se obtiene un valor de Conductividad Hidráulica (K). El último parámetro, el Coeficiente de Almacenamiento se calcula cuando el pozo de bombeo cuenta con un pozo de observación cercano, en este análisis no se encontró un número representativo de pozos de observación o piezómetros por lo tanto no se priorizara su calculo.

10 6 4. PRUEBAS DE BOMBEO Una prueba de bombeo puede servir para dos objetivos principales. En primer lugar, puede servir para determinar las características hidráulicas de acuíferos. A tal tipo de ensayo se le suele llamar test de acuífero ya que lo estudiado mas que la bomba o el pozo, es el acuífero en sí mismo. Cuando se planifica correctamente y se lleva acabo cuidadosamente un ensayo de este estilo puede proporcionar información básica para la solución de muchos problemas regionales, sobre el sentido del flujo en el acuífero. En segundo lugar una prueba de bombeo puede proporcionar información sobre el rendimiento y el descenso del nivel de agua en el pozo. Estos datos pueden ser útiles para determinar la capacidad especifica o la relación descarga-descenso del pozo, para seleccionar el tipo de bomba y para estudiar el costo del bombeo; la capacidad específica da una medida de la efectividad o capacidad productiva del pozo, a este tipo de ensayo por bombeo se le conoce como test de pozo ya que se estudia mas que el acuífero, el pozo. 4.1 Evaluación de una Prueba de Bombeo Existen diversas metodologías para realizar el análisis de un ensayo de bombeo, las cuales se diferencian entre sí, por las condiciones especiales de flujo de cada zona y las características del acuífero o acuíferos captados. Para la evaluación de las pruebas de bombeo en cuestión, se utilizo el software AquiferTest el cual permite evaluar por varios métodos y de manera sencilla lo datos de una prueba de bombeo. Debido a la complejidad del desarrollo matemático de las metodologías indicadas para la evaluación de pruebas de bombeo ya sea de manera directa o empleando el Software mencionado; solo se presentaran las ecuaciones básicas para el análisis de una prueba de bombeo en condiciones reales de campo. 4.2 Supuestos Básicos La mayoría de métodos de análisis inician con los siguientes supuestos: - El acuífero tiene una extensión superficial infinita, es decir no existen condiciones de muro o de barrera confinante. - El acuífero es homogéneo, isótropo y uniforme lo que indica que las propiedades en el mismo son homogéneas en cualquier dirección y profundidad. - Antes de bombear la superficie freática es horizontal en toda el área de influencia. - Se bombea el acuífero a caudal de descarga constante. - El pozo de bombeo penetra totalmente en el acuífero y por ello recibe agua de todo su espesor siendo el flujo horizontal. Al parecer los supuestos limitan grandemente la aplicación de las formulas, sin embargo esto no sucede en la realidad. En la naturaleza nunca se dan ciertos supuestos, mientras que otros solo se presentan en casos raros, sin embargo el no-cumplimiento de un supuesto no

11 7 implica que el procedimiento tenga un margen de error considerable. 5 En otras palabras, los supuestos se plantean para el cumplimiento teórico de condiciones matemáticas. 4.3 Régimen De Flujo Es claro que los resultados del análisis se ajustaran más a la realidad cuanto más se ajuste la realidad física del ensayo a los supuestos matemáticos impuestos. Generalmente las condiciones de campo hacen que se requiera de un tiempo considerable para alcanzar el régimen permanente de flujo, pues como el agua proviene de una disminución en el almacenamiento del acuífero, la carga hidráulica continua disminuyendo con respecto al tiempo, por tanto en la realidad no hay régimen estacionario. Entonces se hace necesario utilizar la metodología para régimen variable, es decir se interpreta no el descenso total sino la evolución de los niveles a lo largo de la prueba. Las pruebas de Bombeo evaluadas en este informe alcanzaban en su mayoría los 2880 minutos (48 h), tiempo más que suficiente para establecer el comportamiento del pozo en cuestión, pues una buena parte de las mismas empezaban a mostrar después de los 400 minutos (7 h) una tendencia cercana a la estabilización. 5. MÉTODOS DE ANÁLISIS Esta claro que el segundo supuesto (acuífero de extensión superficial infinita) y él ultima (penetración Total), no se cumplen a plenitud para las condiciones hidrogeológicas del Valle aluvial del río Cauca, la primera, rara vez se da en la naturaleza y para el segundo se tiene que los acuíferos de la región presentan frecuentes intercalaciones de material impermeable lo que hace que los pozos de bombeo no penetren totalmente la formación permeable o que penetren varias unidades acuíferas. Las características del material acuífero en el Valle del Cauca hacen que el flujo de las aguas subterráneas sé de en varias direcciones y con una fuerte variación espacial en extensión y profundidad. Este tipo de desviaciones que se han mencionado, se consideran como problemas especiales de flujo y requieren de un tipo de análisis distinto, como el de Hantush para acuíferos anisótropos, el cual necesita un procedimiento especifico, como lo es la inclusión mínima de dos líneas radiales de piezómetros referenciadas a una dirección principal de anisotropía, que se obtiene con los datos geológicos de la zona, ver Figura 4. 5 Análisis y evaluación de los Datos de Ensayos por Bombeo. Krusseman, 1975.

12 8 Piezómetro 4 Piezómetro 3 Piezómetro 1 Piezómetro 2 Pozo de bombeo Dirección de Anisotropía Figura 4. Ilustración Método de Hantush para condiciones de Anisotropía. En el Valle del Cauca no se presenta una red de monitoreo de pozos con características que permitan validar un procedimiento como el anteriormente descrito y por lo general para realizar cálculos regionales sobre el flujo de agua en el suelo, los datos de entrada en los modelos computacionales se asumen como isotropicos. Es probable que él supuesto que el acuífero sea isotropico y homogéneo no se cumpla nunca en la naturaleza, por lo general los acuíferos contienen variaciones en su estratigrafía lo que conlleva a que presenten variaciones notorias en la permeabilidad de un lugar a otro. Por otra parte no siempre es posible instalar el filtro del pozo a lo largo de todo el espesor del acuífero, en tal caso se dice que el pozo esta parcialmente penetrado. En un radio alrededor del pozo tal que r 2D las líneas de flujo de agua en el acuífero no son horizontales si no que son radiales en sentido vertical (ver Figura 5), por tanto, el descenso del nivel piezométrico medido a una distancia r 2D, esta influenciado por las componentes verticales de flujo. En consecuencia, los datos de los piezómetros situados a distancias situadas a r 2D, se pueden analizar con los métodos en el que la penetración total sea uno de los supuestos de entrada.

13 9 Figura 5. Flujo Radial Hacia una Sección Unitaria La bondad de los resultados en un análisis de pruebas de bombeo depende de las características de la zona de estudio y del ajuste a las condiciones planteadas por un modelo matemático, sin embargo no se puede desconocer que dicho ajuste en la mayor parte de los casos se desvía de la naturaleza del acuífero y se deben realizar deducciones que permitan obviar ciertos supuestos o limitantes. En este aspecto la Hidrogeología a nivel mundial sigue realizando test de pozos y de acuíferos con métodos que hasta el momento no han sido rebatidos, como la expresión de Theis (1935) de la que se derivan análisis para cualquier tipo de acuífero sin que muestre mayores inconvenientes. En ese orden de ideas se describe a continuación los métodos utilizados para evaluar y analizar las pruebas de bombeo considerando tres tipos de situaciones distintas en las que se asigno a los datos condiciones de Confinamiento, de flujo libre y de Semiconfinamiento, con el propósito de llegar finalmente a un valor idóneo de parámetros hidrogeológicos para cada pozo. 5.1 Acuíferos Confinados Es el acuífero localizado entre dos lechos confinantes de baja permeabilidad (Ver figura 6.). El agua en un acuífero confinado, por lo general esta sometido a una presión mayor a la atmosférica a este tipo de acuífero se le conoce como artesiano 6. Formaciones acuíferas con este tipo de comportamiento, es común encontrarlas en el Municipio de Candelaria en pozos con una profundidad mayor de 220 metros, en donde se suelen presentar casos de pozos saltantes o de presión negativa, ejemplo de ello son los pozos Vcn-349, Vcn-351 y el Vcn-374, para el caso del Municipio de Jamundi en el que los 6 Hidrologia Subterranea. Custodio & Lamas, 1975.

14 10 Figura 6. Acuífero Confinado pozos Vj-102, Vj-110 y Vj-111 a profundidades que oscilan entre 130 y 170 m se presentan como saltantes. El método utilizado para evaluar este tipo de casos corresponde al desarrollo de Cooper & Jacob (1946), el cual se basa en la formula de Theis, cumple con los mismos supuestos pero esta restringido a radios de pozo pequeños y valores amplios de tiempo. La formula es: Q Q d lg t t0 (1) T T En donde: s : Diferencia de descensos en un t (m) Q : Caudal de Bombeo (Gal/min) T : Trasmisividad (m 2 /día) t : tiempo (días) Expresión en la que si se toma s como función y log t como variable se tiene una recta de la forma: y mx n Siendo y d x lg t Q m T Al graficar se obtendrá una recta con escala aritmética en el eje Y y escala logarítmica en el eje X, como en la Figura 7.

15 11 Para hallar la trasmisividad T a partir de esta recta, no hay más que calcular su pendiente: Q m d T Conviene recordar que las unidades de trabajo tienen que ser homogéneas así Para obtener T en m 2 /día se tiene que poner el caudal en m 3 /día y d en metros. Para obtener el coeficiente de almacenamiento S, solo hay que medir el valor de t en el punto en el que la recta ajustada corta el eje de las abcisas, este tiempo t es denominada t 0 y se obtiene de la expresión (2). 2.25Tt 0 S (2) 2 r En donde: S: Coeficiente de Almacenamiento (adimensional) r: distancia al pozo de Observación (m) Figura 7. Recta de Jacob evaluada en AquiferTest. Para el caso de pozos de bombeo sin pozos de observación S no podrá calcularse. En caso contrario, fijado un punto de observación a una distancia r del pozo de bombeo, se tiene: 2 r S u (3) 4kDt En donde: u : Función de pozo de Theis. Jacob será aplicable solo sí u 0.1. Se deduce que a distancias cortas t es más pequeño y por tanto en pozos de bombeo donde r = r e, es siempre aplicable Jacob.

16 12 r p : radio del pozo de Bombeo En el software Aquifertest este método se selecciona por el menú Method, ahí se escoge la opción Select y se selecciona Cooper & Jacob Time-Drawdown, luego en el mismo menú se escoge la opción Settings y se ingresa el espesor del acuífero en Aquifer Thickness para que el software calcule la conductividad hidráulica (Ver Figura 8). 5.2 Acuíferos Semiconfinados Figura 8. Método de Análisis para Acuíferos Confinados. En la naturaleza los acuíferos perfectamente libres o perfectamente confinados son menos frecuentes que los acuíferos semiconfinados. En general estos últimos son muy comunes en zonas aluviales como deltas, llanuras costeras, valles bajos de río, depresiones de antiguos lagos etc. Es una capa permeable totalmente saturada de agua, limitada en su parte superior por una capa semipermeable y en su parte inferior impermeable o semipermeable. Este acuífero puede recibir recarga o puede perder agua a través del techo y/o base del mismo 7 (Ver figura 9). En el Departamento del Valle del Cauca este tipo de formaciones hidrogeológicas se presenta en los niveles superior e inferior del acuífero, pues poseen intercalaciones o lentes arcillosos. Es común encontrar pozos con buenas trasmisividades pero con espesores de acuífero poco apreciables, por lo general esta condición describe un caso claro de semiconfinamiento. 7 Ídem

17 13 Figura 9. Acuífero Semiconfinado El método seleccionado para analizar este tipo de acuíferos, es el método I de Hantush: Q T W ( u, r / L) (4) 4 ( d) En donde W (u,r/l) = función de pozo para acuífero semiconfinado. L = factor de Goteo 2 r S u 4Tt Al igual que el método de Theis, W (u, r/l) es otra integral sin solución analítica, por lo tanto esta función se encuentra tabulada y representada por un grafico de función de pozo como el de la Figura 10 en la que los datos de campo se hacen coincidir con la curva de mejor ajuste. En el software Aquifertest este método se selecciona por el menú Method, ahí se escoge la opción Select y se selecciona Hantush (No Aquitard Storage), luego en el mismo menú se escoge la opción Settings y se ingresa el espesor del acuífero en Aquifer Thickness para que el software calcule la conductividad hidráulica (Ver figura 11). 5.3 Acuíferos Libres También llamado acuífero freático, es aquel cuyo nivel superior o techo esta a la presión atmosférica 8 (Ver Figura 12). Este tipo de acuífero deja de cumplir uno de los supuestos básicos antes mencionados. Esta condición es que el flujo deja de ser radial y la entrada de las líneas de flujo al pozo es como en la Figura 5. Sin embargo en estos casos se procede exactamente igual que en el caso del acuífero cautivo, pudiendo utilizarse tanto las formulas como los métodos gráficos, con solo hacer una corrección de los descensos o depresiones observados y trabajar con los nuevos valores (teóricos) de los descensos corregidos. 8 Ídem

18 14 Figura 10. Función de Pozo W(u.r/L) de Hantush. Figura 11. Método de Análisis para Acuíferos Semiconfinados

19 15 Figura 12. Acuífero Libre Esta corrección es la denominada corrección de Dupuit y consiste en la siguiente: Si un descenso observado es d. 2 d El descenso corregido deberá ser d (5) 2H 0 Donde H 0 es el espesor saturado inicial del acuífero. Esta corrección debe hacerse a todos los descensos observados tanto en pozos de bombeo como en pozos de observación. Cuanto más alejado este el pozo de observación del pozo de bombeo más se parecerán los descensos observados y los corregidos. Así mismo puede razonarse que si H 0 es muy grande el valor de la corrección será pequeño. Como norma se admitirá que no es necesario hacer la corrección cuando el valor del descenso observado sea menor a un 15% del espesor saturado inicial del acuífero. De todos modos, la curva que se obtiene, después de corregir los valores esta en el grafico de Jacob por debajo de la recta sin corregir. Por ello, la pendiente de la recta corregida es más baja y arroja valores de trasmisividad más altos. 9 En el software Aquifertest este método se selecciona por el menú Method, ahí se escoge la opción Select y se selecciona Cooper & Jacob Time-Drawdown, luego en el mismo menú se escoge la opción Settings y se ingresa el espesor del acuífero en Aquifer Thickness para que el software calcule la conductividad hidráulica, ahí mismo se activa la opción correct drawdown for unconfined aquifer, y se obtiene la corrección de Dupuit para acuíferos libres (Ver Figura 13). 9 Pozos y acuíferos, Técnicas de evaluación Mediante Ensayos por Bombeo. M. Villanueva, A. Iglesias.

20 16 Figura 13. Corrección de Descenso para Acuíferos Libres. 6. RESULTADOS Para la evaluación de las novecientas cincuenta pruebas de Bombeo de toda la zona plana del Valle del río Cauca, se formularon las siguientes consideraciones generales: Los datos de entrada al AquiferTest se deben ingresar en metro, galon, dia; pues algunos datos ingresados como ensayo mostraron resultados distintos al momento de desplegar la opción de conversión de unidades. Por otra parte la mayoría de pruebas presentan más de un ciclo de bombeo, es decir pruebas escalonadas con caudal variable, se procuro analizar dichos ensayos con los datos comprendidos en el primer ciclo, pues al hacerlo con la totalidad de los datos no se tiene un buen ajuste o se requiere constatarlo con los datos de una prueba de recuperación y la mayoría de test no la posee. 6.1 Trasmisividad Hidráulica (T) Entiéndase la Trasmisividad como el volumen de agua que atraviesa una banda de acuífero de ancho unitario en una unidad de tiempo y bajo la carga de un metro, en otras palabras es la posibilidad que tiene el acuífero de ceder agua. La Trasmisividad para cada pozo se selecciono de tres valores calculados por métodos distintos; es decir como sí los datos describirán un comportamiento típico de acuíferos

21 17 confinados, semiconfinados o libres. De esta manera se selecciono el valor más idóneo para cada grupo de datos. - Los parámetros hidrogeológicos obtenidos por el método de Jacob para acuíferos no confinados presentaron los valores de magnitud mas altos de todo el grupo de resultados, esto se debe a que al realizarse la Corrección de Dupuit para cada descenso en un grupo de datos (ecuación 5), se reduce el abatimiento final -shaciendo aumentar el valor de Trasmisividad. - El método de Jacob para acuíferos confinados y el de Hantush para acuíferos semiconfinados, presentan una semejanza en los resultados finales, en parte a que no se da una manipulación de los datos y por otro lado a que el método de Jacob no es mas que una particularización del método de Theis y el método de Hantush utiliza la curva tipo de Thies como mejor aproximación cuando no se tiene en cuenta las demás curvas de derivación que dependen del radio de influencia y el factor de goteo (Figura 7). - El otro grupo de valores esta representado por las evaluaciones In Situ obtenidas con el método de Theis, en cada uno de los ensayos de bombeo a lo largo de varias décadas de experiencia del grupo de aguas subterráneas de la CVC. Los valores de Trasmisividad Hidráulica obtenidos para toda la zona plana del Valle del Cauca se pueden clasificar de acuerdo a Villanueva e Iglesias (1980) como se muestra en la Cuadro 1, en este se aprecia la distribución porcentual del total de las pruebas analizadas para toda la zona por rango de Trasmisividad y la calificación que describe su rendimiento. En la Figura 14 se puede apreciar el mapa de Isotrasmisividades obtenidas para la zona del estudio así como en el Anexo 1 se aprecia el grupo de Trasmisividades clasificadas por Municipio para cada uno de los pozos. Cuadro 1. Clasificación porcentual de Trasmisividades. T (m 2 /d) % del Total de Trasmisividades Calificación N.A Baja Media Alta Alta > Muy Alta 6.2 Conductividad Hidráulica (K) La Conductividad o Permeabilidad hidráulica es el flujo de agua que atraviesa una sección unitaria de acuífero, bajo la influencia de un gradiente unitario, a temperatura de campo, en otras palabras en una medida muy característica de la textura del acuífero. Los valores de Conductividad hidráulica se derivan de las magnitudes de Trasmisividad y del espesor del acuífero:

22 18 2 T( m / d) K( m / d) (6) b( m) El Software AquiferTest permite calcular este parámetro, ingresando la magnitud aproximada del espesor de la capa o de las capas permeables del acuífero en cuestión. De tal forma para cada una de los pozos estudiados se recolecta la información disponible, para conocer en detalle la dimensión y/o espesor de las capas permeables. Esta información esta disponible en planos de isopacos, columnas litológicas, registros eléctricos etc. Para la región central de la planicie se logro obtener la ultima actualización de correlaciones litológicas, realizada por los especialistas de la CVC en el año 2005 en la que se logro observar la distribución estratigráfica de los de los sistemas hidrogeológicos en los Municipios de Buga, San Pedro y Tulúa así como el grado de confinamiento, semiconfinamiento o de flujo libre para cada pozo. Se decidió trabajar solo con las capas permeables del total de la columna, pues es a través de estas que se realiza el mayor aporte de caudal hacia el pozo.sin embargo, para observar como era el comportamiento al tener en cuenta el aporte de capas arcillosas y de otras capas semiconfinantes, se calcularon valores de Conductividad hidráulica asumiendo b como el espesor total del acuífero de cada unidad hidrogeológica. Es decir de los planos de Isopacos, se obtiene el espesor de las unidades A y B, pero no de la unidad C pues esta no se encuentra definida, de este ejercicio se obtuvo algunos resultados similares a los que se presentan en el Cuadro 2: Cuadro 2. Comparación Entre un Grupo aleatorio de Conductividades calculadas con distinto espesor- b -. Pozo T(m 2 /d) b:espesor total K(m/d) b:espesor permeable K(m/d) Vcn Vcn Vcn Vcn Vcn Como se puede observar hay diferencias notables en las magnitudes de conductividad hidráulica para este grupo aleatorio de pozos, pues para el caso en que sé asume el espesor total de la unidad se presentan Conductividades muy pequeñas y ese comportamiento no corresponde a las características del acuífero de la zona, caso contrario sucede cuando se asume solo el espesor de las capas permeables, aquí se obtienen Conductividades de acuerdo a lo esperado. Esta ultima forma de calculo responde a la idea según la cual el flujo que ingresa al pozo es un flujo síntesis de todas las capas que aportan agua en los alrededores de ese filtro, pues de ninguna manera se estará captando el flujo proveniente de capas de goteo o capas superiores sin que este pase a través de las unidades para las cuales fue diseñado el filtro.

23 19 Del conocimiento que se tiene de las unidades acuíferas en estudio se sabe que la conductividad hidráulica fluctúa entre 5 y 55 m/día 10, y para el caso en que se estima como espesor el total del acuífero solo se alcanzan valores máximos de 14 m/día. Las magnitudes de Conductividad hidráulica obtenidas por cada uno de los métodos se presenta en el Anexo 1 Y el plano de Isoconductividad hidráulica para la zona en estudio se aprecia en la Figura 15. Los valores obtenidos de K se clasifican como se muestra en la Cuadro 3, en este se aprecia la clasificación porcentual por rango y la calificación que describe su rendimiento. 6.3 Capacidad Específica (CE) Cuadro 3. Clasificación Porcentual de conductividades. K (m/d) % del Total Calificación Muy baja Baja Media Alta Muy Alta > Otro parámetro que se estimo en este estudio fue la Capacidad Especifica el cual es importante no solo porque aporta información acerca de la capacidad del pozo por unidad de abatimiento en una punto determinado (ver ecuación 7), sino porque a partir de las magnitudes que observa se puede predecir el valor aproximado de la Trasmisividad en dicho punto. Lo anterior ha sido aplicado durante varios años de experiencia en lo que corresponde a la evaluación de acuíferos en el departamento del Valle del Cauca y consiste en multiplicar el valor obtenido de CE por cien (100) y con ello se obtiene una magnitud cercana al valor real de Trasmisividad. El procedimiento para obtener este dato consistió en asumir como valor de abatimiento el descenso registrado en el instante t en que la curva empieza con una tendencia a la estabilización así como el caudal de bombeo del primer ciclo de la prueba. Q( l / s) CE (7) s( m) En el Cuadro 4 y 4A muestra el comportamiento de la Capacidad Especifica con respecto a dos períodos de tiempo, así como el área afectada por estos cambios. Esta información no se debe interpretar como un cambio en el rendimiento del acuífero sino como un cambio en el rendimiento de los pozos, en algunos ocasiones la disminución en la magnitud de este parámetro, refleja la acumulación de sedimentos en las rejillas del pozo, en otros se observa un aumento que posiblemente se deba a la construcción de nuevos pozos en cada sector. 10 Plan de Manejo para la protección de las aguas subterráneas en el departamento del Valle del Cauca. CVC, 2000.

24 20 En las Figuras 16 y 17 se muestra el comportamiento de la Capacidad Especifica para el nivel superior del acuífero en dos períodos de tiempo; , , para la zona de estudio. Cuadro 4 Capacidad Especifica en la Zona Plana del Departamento del Valle del Cauca Período I. Rango Area (Km 2 ) % del Total Cuadro 4A Capacidad Especifica en la Zona Plana del Departamento del Valle del Cauca Período II. Rango Area (Km 2 ) % del Total Es claro que los datos utilizados en cada uno de los períodos no se deben comparar entre sí pues la mayoría de pozos no cuenta con dos o mas pruebas de bombeo que verifiquen la variación en el tiempo, además la zonificación debe realizarse teniendo en cuenta un mismo nivel o profundidad. 6.4 Coeficiente de Almacenamiento(S) Este parámetro viene definido como el volumen de agua liberado o almacenado por unidad de superficie de acuífero y es de carácter adimensional. Debido a la poca información de pozos de observación en la zona de estudio, solo se presentan a continuación los valores que ya han sido calculados con anterioridad y algunos de los nuevos valores encontrados (Cuadro 5): Cuadro 5 Valores de Coeficiente de Almacenamiento en la zona de estudio Pozo coeficiente de coeficiente de Pozo almacenamiento almacenamiento Vtu Vpr Vtu Vpr Vsp Vcn Vb Vb

25 21

26 22

27 23

28 24

29 25 7. VALIDACION DE RESULTADOS Como se menciono anteriormente, los parámetros hidrogeológicos fueron hallados para cada prueba de bombeo empleando las metodologías descritas (Jacob N.C., Jacob, Hantush). Para seleccionar el grupo de datos de mejor ajuste, se trabajo con tres criterios básicos en los que se considero cuantitativa y cualitativamente las características de cada uno de los pozos. Con estos criterios también se busca observar si es posible validar este tipo de evaluación de calidad de los datos, con el propósito de acercar mas a la realidad la descripción de las zonas en estudio, teniendo como referente una buena selección de los parámetros obtenidos; estos métodos son los siguientes: Se realizo un análisis por regresión cuadrática de dos grupos aleatorios de pozos de la zona de estudio; con esto se busco verificar la correlación que presentan los datos de las pruebas de bombeo, es decir se pretende conocer que tan desviados están los datos de la tendencia general que describen los mismos; aquí es importante aclarar que existen diversos aspectos que hacen que un grupo de datos se encuentre por fuera de la tendencia general, entre ellos se pueden mencionar las fallas humanas en el momento de la medición, los cambios en las revoluciones del equipo de bombeo, entre otros. Como resultado se obtuvo un buen ajuste para los datos analizados con el método de Jacob en los casos de confinamiento y de no confinamiento, mientras que para los datos analizados por el método de Hantush esta metodología no se ajusta a la distribución de los resultados, esto se debe en parte a que el método de Hantush no describe una trayectoria propia de los datos sino que aproxima los puntos dispersos de la prueba a la curva tipo de Theis, ver Figura 18. Figura 18. Aproximación de datos a la curva tipo de Theis por el Método de Hantush

30 26 De acuerdo al acumulado de conocimiento estratigráfico que se tiene de las zonas, se ubico la información necesaria para detallar las características hidrogeológicas según fuera el emplazamiento de cada uno de los pozos, este procedimiento logro llevarse a cabo por medio de las correlaciones litológicas existentes, así como de los registros eléctricos y de los planos de isopacos. Con ello se llego a una clasificación para cada caso; si el pozo se encuentra explotando un acuífero con una capa arcillosa por encima de las capas permeables entonces se clasifico como en estado de confinamiento, si la presencia de arcillas no era considerable se clasifico como en estado de semiconfinamiento y si el pozo presentaba gran cantidad de material permeable como en el caso del acuífero existente entre los ríos Tulúa y Morales se clasifico como libre. El siguiente criterio responde a un carácter empírico, el cual ha sido obtenido durante varios años de experiencia de la evaluación de los acuíferos en el departamento del Valle del Cauca. Este consiste en obtener la magnitud de la capacidad especifica, el cual es un parámetro del pozo que como ya se indico describe la relación entre el caudal de bombeo y el abatimiento cuando tiende a estabilizarse, una vez obtenido este valor se procede a multiplicarlo por cien (100), pues la capacidad especifica debe ser entendida como un parámetro unitario. Los resultados obtenidos representan de forma aproximada la Trasmisividad del punto en cuestión y con ello se puede acceder a otros parámetros. De esta forma, se utilizaron tres criterios distintos para seleccionar un valor idóneo para cada caso, buscando la coincidencia de por lo menos dos de ellos, esto se hizo efectivo para la mayoría de casos en la zona plana del Valle del Cauca en donde el criterio empírico y el de clasificación hidrogeológica coincidieron eficazmente. Para algunos lugares en que varios de los pozos no se encontraban dentro de una correlación estratigráfica cercana solo se pudo constatar la validez del criterio empírico. En el Cuadro 6 se presenta un grupo aleatorio de pozos de la zona centro, en este se observan las trasmisividades obtenidas por los tres métodos, el factor de correlación, la clasificación hidrogeológica y el valor unitario de capacidad especifica. Cuadro 6 Comparación de criterios para un grupo de Trasmisividades de la Zona. Pozo Jacob-Libre Jacob-Confinado Hantush-Semiconf. Correlación CE Litológica T (m 2 /dia) R 2 T (m 2 /dia) R 2 T (m 2 /día) R 2 Vb Confinado Vb Confinado Vb Libre Vb Libre Vsp Libre Vsp Libre Vsp Libre Vtu Confinado Vtu Confina do Vtu Libre

31 27 De esta manera se seleccionaron los valores más representativos de trasmisividad y conductividad hidráulica de la zona. Como se ha mencionado con anterioridad este procedimiento de selección es apenas una primera aproximación de un método más riguroso en el que pueda realizarse un análisis estadístico más detallado que permita establecer el comportamiento de los registros, sus tendencias y fiabilidad, sin embargo no se debe subvalorar la eficacia de los otros procedimientos. Para los demas datos del resto de la zona plana del Valle del Cauca se selecciono el método empírico como indicador de aproximación. 8. CALIDAD DE LA INFORMACION A continuación se presentan una serie de casos que por lo general se encuentran durante la realización de los análisis de ensayos por bombeo y que tienden a confundir si no se posee un conocimiento de las posibles fallas o particularidades de los ensayos. 8.1 Cambio Brusco de Revoluciones en el Equipo de Bombeo: En la Figura 19 se presenta un caso en el que el equipo de bombeo aumento sus revoluciones de manera arbitraria e hizo descender los niveles drásticamente, luego por alguna razón este perdió potencia e hizo que las revoluciones disminuyeran por lo tanto el caudal de bombeo también disminuye y la recuperación empezó a superar el abatimiento. Para este tipo de casos la información seleccionada debe ser aquella en la que las revoluciones del equipo de bombeo se mantengan constantes y que permitan observar los cambios en el descenso del nivel de agua desde el inicio de la prueba. 8.2 Pozo de Observación La importancia que tienen los pozos de observación como testigos de una prueba de bombeo se pueden apreciar en la uniformidad de los datos de la Figura 20, donde se muestra una distribución ideal de los datos, sin ningún tipo de sobresalto o desviación por factores externos al comportamiento del acuífero. 8.3 Prueba de Recuperación: Otro ensayo de buen ajuste para validar los datos de una prueba de bombeo, es la prueba de recuperación. En la Figura 21 se tiene un grupo de datos que parecen una formación acuífera con descensos poco significativos y esto hace que la trasmisividad se dispare a valores poco comunes para la zona. Para ello las pruebas de recuperación ofrecen la posibilidad de corregir esa situación como se muestra en la Figura 22. En la que se observa el real comportamiento normal del acuífero, para la misma prueba. La prueba de recuperación también es útil para verificar si el análisis de los datos de un solo ciclo de bombeo se ajusta al comportamiento general del acuífero, es decir al evaluar una prueba escalonada con los datos de cada ciclo, uno de estos debe coincidir con los valores arrojados por los datos en el período de recuperación, por lo general esta coincidencia se da para los datos del primer ciclo de bombeo.

32 28 Figura 19. Cambio brusco de Revoluciones en una prueba de bombeo. Figura 20 Comportamiento de Datos en un Pozo de Observación.

33 29 Figura 21. Dudosa correlación de datos en una prueba de Bombeo. Figura 22. Comportamiento de datos en una prueba de recuperación

34 Pruebas Escalonadas Por diversas razones una prueba de bombeo debe realizarse en varios ciclos distintos, que por lo general están espaciados por escalones de caudal de extracción. Por esto se debe analizar los datos obtenidos de dicha prueba para un solo ciclo pues de lo contrario se tendrá una serie de datos discontinuos que alteraran los resultados finales. Ver Figura 22. Figura 23.Distribución de Datos en una Prueba Escalonada.

35 31 9. CONCLUSIONES El software Aquifer Test demostró ser una buena herramienta para conocer de manera rápida y sencilla, los valores de parámetros tales como la Trasmisividad y la Conductividad Hidráulica, sin embargo no permite tener un conocimiento de correlación de datos ni de análisis de error lo que hace necesario que una prueba de bombeo deba ser evaluada por varios métodos distintos entre sí, para luego seleccionar el que mejor describa las características del pozo y de los acuíferos captados. Los valores obtenidos de Trasmisividad Hidráulica para la zona de estudio se clasifica según autores investigados, como media alta (100 T 500) con un 44.5% de la totalidad de los datos y alta (500 T 1000) para un 41.6% de los pozos evaluados, lo que da una idea del potencial acuífero existente en el Departamento del Valle del Cauca. En cuanto a la Conductividad Hidráulica se tiene que las magnitudes obtenidas oscilan entre 5 m/día y 60 m/día, estas se ajustaron a una calificación según los autores investigados como media (1 K 10) con un 33% de la totalidad de los datos, a alta (10 K 100) con un 67% de los datos. El valor de Capacidad Especifica, por ser un parámetro de pozo y no de acuífero requiere de un análisis cuidadoso. Por una parte porque la eficiencia de los pozos disminuye con el tiempo debido a las incrustaciones de sedimentos en los filtros, derrumbes etc. y tambien porque al realizar una zonificación de la variación de este parámetro en función del tiempo se hace con información de pozos construidos hace varias décadas con pozos recién construidos. De tal forma, se puede observar como en la zona norte del departamento la considerable cantidad de pozos construidos durante la década de los noventa en Municipios como Zarzal y Cartago incremento los porcentajes de Capacidad Especifica de un rango predominante de 3 a 6 l/seg-m antes de 1990 a rangos de 6 a 9 l/seg.-m. En el Municipio de El Cerrito, cerca del río Amaime se observa una disminución en la magnitud de Capacidad Especifica para el segundo periodo analizado. Para el caso de la zona centro del departamento se tiene que tambien durante el segundo periodo este parámetro se incremento, en parte a que el mejor conocimiento del acuífero impulso a que los pozos fuesen construidos a una mayor profundidad, pues a las profundidades que se venia haciendo no se obtenía un buen rendimiento en la extracción. Después de haber seleccionado los parámetros hidrogeológicos de mejor ajuste para cada pozo, se pudo constatar que para la totalidad de pruebas evaluadas en la zona el 73% respondió mejor al análisis por el método de curva tipo de Theis, el 11% al