Experiencias innovadoras para abordar problemas de los recursos hídricos

Transcripción

1 Experiencias innovadoras para abordar problemas de los recursos hídricos La recarga artificial de acuíferos con agua tratada: las experiencias de Barcelona (España) y Aguascalientes (México) FELIP ORTUÑO GOBERN Hidrogeólogo Principal ITASCA S.A. Santiago de Chile felip.ortuno@itasca.cl

2 INDICE 1. La recarga artificial de acuíferos como recurso hídrico alternativo. 1. Conceptos de recarga artificial 2. Gestión de la recarga artificial (MAR) 2. Proyectos de recarga artificial con agua tratada: 1. La barrera hidráulica contra la intrusión marina en Barcelona 2. Recarga artificial en un acuífero sobreexplotado en México

3 Conceptos de recarga artificial de acuíferos

4 Qué es la Recarga Artificial de acuíferos? La Recarga Artificial puede definirse como aquellas acciones controladas por el hombre que transfieren agua desde la superficie a los acuíferos. La Recarga Artificial tiene como objetivo introducir agua en el acuífero para diferentes fines: su recuperación posterior, la mejora de su calidad, o evitar el deterioro del acuífero. Los caudales de recarga, la metodología de recarga, la calidad del agua y dónde se realiza son variables que deben ser consideradas en un Plan de Gestión de Recarga Artificial para acuíferos (MAR)

5 La Recarga Artificial es un componente relativamente nuevo en la planificación hidráulica en Latinoamérica. Existen experiencias existosas en California, Israel, Barcelona, Australia, París, entre otras. ARS 4 La implementación de sistemas de Recarga Artificial permite una mejor explotación de los acuíferos al aumentar sus recursos y sus reservas. Cada sistema de Recarga Artificial debe ser planificado, ya que impacta en la gestión de los recursos hídricos subterráneos de una cuenca y en su balance. ARS 2 2 Irrig 1 ARS 3 3 ARS1

6 Problemas Satisfacer la demanda de agua Mejorar la calidad del agua subterránea Protección de acuíferos Tratamiento de efluentes Respuesta de la Recarga Artificial Almacenamiento de agua en el acuífero para su posterior recuperación. Mezcla de aguas. Recarga artificial como barrera hidráulica Tratamiento a través de la zona no saturada y almacenamiento

7 TIPOS DE RECARGA ARTIFICIAL DE ACUIFEROS: Balsas de recarga Escarificado de ríos Presas fluviales Pozos de zona vadosa Pozos de inyección directa

8 Gestión de la Recarga Artificial (Managed Aquifer Recharge)

9 MANAGED AQUIFER RECHARGE (gestión de la recarga artificial): MAR: es una herramienta de gestión de acuíferos, pero no es la solución contra la sobreexplotación. MAR: muy efectiva dentro de un enfoque hídrico global para controlar extracciones y restaurar equilibrios en acuíferos. MAR: potencial muy importante en zonas áridas para: - episodios de sequía: garantizar los suministros - gestión participativa de las cuencas - aprovechamiento de aguas de tormenta - reutilización de aguas depuradas (regeneradas)

10 MANAGED AQUIFER RECHARGE (gestión de la recarga artificial): DURABILIDAD: COLMATACIÓN DE LOS SISTEMAS (tanto los superficiales como por inyección directa) CALIDAD (transporte y degradación de compuestos orgánicos, reacciones químicas, aspectos microbiológicos) RECURSOS NO CONVENCIONALES (agua tratada). Aparición de contaminantes emergentes

11 a) AGUAS SUPERFICIALES MAR en Cataluña (España): se incluye dentro del Plan de Gestión del Distrito de Cuenca de Cataluña En estudio en diversos ámbitos de Cataluña. Escarificado del río Llobregat (realizado por Agbar durante años) Balsas de recarga: en proyecto en el Valle Bajo del Llobregat. En servicio en la Cubeta de Sant Andreu. Inyección directa mediante pozos en Cornellá por Agbar (agua potable de red). b) AGUAS TRATADAS PROCEDENTES DE DEPURADORAS En Catalunya la recarga de acuíferos con agua tratada, procedente de plantas depuradoras, está planificada en el PRAC (Programa de Reutilización de Agua en Cataluña), cuyas actuaciones están incluidas en el Programa de Medidas del actual Plan de Gestión del Distrito de Cuenca Fluvial de Cataluña, elaborado por la Agencia Catalana del Agua.

12 Papel del agua tratada (regenerada) en el futuro: Riesgo sanitario básicamente ligado a patógenos (microbios) Incertidumbre? Fiabilidad de procesos naturales para reducir supervivencia de los patógenos Necesidad de desarrollar: [1] tratamientos económicamente viables [2] marco regulatorio adecuado [3] mejores evaluaciones de riesgo y de gestión

13 Objetivos del Programa de Reutilización de Agua en Cataluña (PRAC) 8% Uso de los caudales depurados: 39% 28% 28% Reutilización directa 53% 44% No reutilizada Reutilización indirecta 2008 OBJETIVO PRAC El objetivo era incrementar la reutilización directa hasta 158 hm 3 /año, para mejorar la garantía de los abastecimientos, sobre todo mediante: 1) Substitución de recursos utilizados en usos agrícolas 2) Substitución de recursos en la industria 3) Recarga de acuíferos

14 MAR EN CATALUÑA: SITUACIÓN ACTUAL Y PREVISTA (de acuerdo al Plan de Gestión):

15 Proyectos de recarga artificial con agua tratada: Barrera hidráulica contra la intrusión marina en Barcelona. Inyección de agua tratada contra la sobreexplotación de un acuífero en México.

16 El acuífero del Llobregat y el problema de la intrusión marina

17 Características del acuífero: El acuífero del delta del Llobregat se utiliza principalmente para el abastecimiento urbano. Es un recurso de agua estratégico para la ciudad de Barcelona y su área metropolitana. A B ACUÍFERO PRINCIPAL LIMOS CONFINANTES Acuífero: gravas y arenas de elevada permeabilidad (100 a 10,000 m 2 /día)

18 Extracciones: El acuífero se utiliza principalmente para abastecimiento potable a la ciudad de Barcelona y su área Metropolitana. Los recursos subterráneos fueron sobreexplotados durante décadas. Actualmente se ha creado ya una Comunidad de Usuarios y las extracciones han disminuido sensiblemente. Aun se está lejos del valor sostenible, que se sitúa sobre los 40 hm 3 /año. 40 hm 3 /a Extracciones del acuífero principal del Llobregat en el Abastecimiento Aguas de Barcelona 71% Total: 53.1 hm3 Industrial 15% Abastecimiento Aguas de El Prat 7% Resto Abastecimientos 2% Agrícola 5% Evolución de las extracciones en los acuíferos de la Vall Baixa y Delta del Llobregat

19 Extracción de agua subterránea: Empieza 1890 Principal desarrollo: En 1970 s 120 hm 3 /año En hm 3 /año Valor sostenible 40 hm 3 /año Sobreexplotación Principales frentes de intrusión Barcelona Pozos de AGBAR Zona industrial Los niveles del acuífero han estado bajo el nivel del mar desde 1960 Pozos de El Prat Aeropuerto El agua marina intruye el acuífero, moviéndose desde la costa hacia el interior Concentración de cloruros en el acuífero principal del Llobregat (2007) La intrusión marina afecta una tercera parte de la superficie del delta del Llobregat, causando el deterioro de la calidad de agua subterránea, y muchos problemas a pozos para el abastecimiento urbano e industrial.

20 Acciones para mejorar el recurso y la calidad del agua en el Valle Bajo y Delta del Llobregat 1. Realización de un Plan de Ordenación de Extracciones. 2. Recarga por escarificación del lecho del río. 3. Recarga artificial en los pozos de Agbar. 4. Recarga artificial mediante balsas. 5. Barrera hidráulica contra la intrusión marina Concentración de cloruros en el acuífero principal del Llobregat en el 2007

21 ESCARIFICACIÓN DEL LECHO Agua del río En servicio Barcelona INYECCIÓN DIRECTA Agua del río potabilizada En servicio (ocasional) BALSAS DE RECARGA EN SUPERFICIE Agua tratada o del río En pruebas (ENSAT) / En proyecto BARRERA CONTRA LA INTRUSIÓN 100% Agua tratada. Actualmente parada. Recarga del acuífero del Baix Llobregat

22 La barrera hidráulica contra la intrusión marina del Llobregat (España)

23 Concepto de barrera hidráulica: Sin intrusión marina Con intrusión marina Barrera hidráulica (US Geol. Survey, Fact Sheet ) El objetivo de la barrera es frenar el avance de la intrusión marina mediante la inyección de agua en una batería de pozos paralelos a la línea de costa. El valor añadido al proyecto es que en este caso se utilizaba agua tratada regenerada para la inyección. La barrera hidráulica en el Llobregat es un proyecto pionero en Europa.

24 Fases del proyecto de la barrera hidráulica: Fase Caudal (m3/día) no. pozos En operación 1 (piloto) 2,500 4 Marzo ,000 (total) 14 Abril 2010 Barcelona Fase 1: 4 pozos de inyección Fase 2: Zona Franca 7 pozos de inyección Fase 2: Zona Prat 4 pozos de inyección El Prat del Llobregat PTAR: Estación Depuradora de Aguas Residuales Concentración de cloruros en el acuífero principal del Llobregat en el 2007

25 Agua de inyección El agua de inyección proviene de la PTAR de El Baix Llobregat, cerca de Barcelona, y pasa por diferentes tratamientos. El control de su calidad se hace de acuerdo con los requerimientos de la Agencia de Protección de la Salud, y cumple los parámetros sanitarios del RD 140/2003 de calidad de agua para consumo. PTAR Baix Llobregat SECUNDARIO TERCIARIO Usos ambientales (río y zonas húmedas) DESINFECCIÓN ÓSMOSIS 50 a 65% ULTRAFILTRACIÓN 35 a 50% POZOS DE INYECCIÓN Planta de tratamiento avanzado de agua para la barrera

26 PTAR DEL BAIX LLOBREGAT (BARCELONA) TRATAMIENTO SECUNDARIO TRATAMIENTO TERCIARIO PLANTA DE TRATAMIENTO AVANZADO DE AGUA PARA LA BARRERA HIDRÁULICA

27 Planta de Tratamiento Avanzado de Agua para la Barrera Hidráulica La inyección empezó el 26 de Marzo del Se inyectaron desde entonces más de 4,300,000 m 3 de agua tratada en el acuífero. La barrera está parada desde el 16 de junio del Ultrafiltración Ósmosis Inversa Desinfección (UV)

28 Pozos de inyección y red de control en el acuífero en la primera fase: 4 pozos de inyección en la primera fase equipados en superficie y en profundidad. Pozos de inyección 8 puntos en la red de control del acuífero. EDAR BAIX LLOBREGAT Fase I o piloto Puntos de control

29 Sistema de control y pozos de inyección en la primera fase: En el centro de control se almacenaban cada hora medidas del nivel en cada pozo, caudal y volumen inyectado, y los parámetros físico-químicos del agua de inyección. También se almacenaban cada hora los volúmenes de tratamiento de la planta de agua.

30 Fase 1: Red de control en el acuífero TABERSA CLARIANT P5 Piezómetro ACA B-7-B CLARIANT P4 GEARBOX PRAT Piezómetro MP-47 TOTAL P4 TOTAL P6

31 Muestreo de la red de control: Calibrado de aparatos de medida Medida de niveles en pozos Bombeo Recogida de las muestras

32 Control del agua de inyección: Continuo: Conductividad, temperatura, amonio, ph y turbidez. Quincenal: E. Coli, nemátodos, clostridium perfingens, P, Ntotal, NO3, NH4, Cl, TOC. mg/l NH Amonio media: 0.19 mg/l NH4 02-maig juny ag set nov gen-11 Bimensual: elementos mayoritarios, compuestos nitrógeno, metales, compuestos organoclorados, cianuro, fluoruro, mercurio y TSD. us/cm Conductividad eléctrica media: 1849 us/cm 0 Anual: análisis completo de potabilidad. 22-gen març-10 2-maig juny ag set nov gen- 11

33 Calidad media del agua inyectada: Características físico-químicas: EC (µs/cm) T (ºC) ph Eh (mv) Turb (NTU) 1, ,4 513 < 0,09 Componentes mayoritarios (mg/l): Cl SO 4 HCO 3 Na K Ca Mg NO 3 Si ,8 3,5 Componentes minoritarios y metales (µg/l): Al As Ba B Cd Co Mn Mo Ni Pb Sb Se V Zn 37 1,0 < <5 < ,5 15 <1 <5 0,6 <25 24 Otras características químicas (mg/l): N tot P tot COD BOD TOC 4,0 0,8 <30 <10 4,9 Componentes microbiológicos: coliformes escherichia coli nemátodos no detectados no detectados no detectado

34 El contenido de cloruros en el acuífero en la primera fase disminuyó en casi todos los puntos de control. ANTES DE LA INYECCIÓN Pozos de inyección CLORUROS m DESPUÉS DE 2 AÑOS DE INYECCIÓN Puntos de la red de control No se observaron fenómenos de colmatación en los pozos de inyección.

35 Primera fase: evolución otros componentes en el agua del acuífero: MAGNESIO SODIO ARSÉNICO SULFATO CALCIO NITRATO BICARBONATO POTASIO Se constató también una mejora en el acuífero en sodio, magnesio, sulfato, calcio y potasio. Se vigiló el arsénico, aunque su movilización era poco probable si se mantenían los ph del agua de inyección, y los nitratos, ligeramente presentes en el agua de inyección.

36 Llegenda <1 g/l Cl 1-2 g/l Cl 2-3 g/l Cl 3-4 g/l Cl 4-5 g/l Cl 5-6 g/l Cl 6-7 g/l Cl 7-8 g/l Cl 8-9 g/l Cl 9-10 g/l Cl g/l Cl g/l Cl g/l Cl Concentración de cloruros en el acuífero: Concentración inicial de cloruros Concentración de cloruros después de 1 año Llegenda <1 g/l Cl 1-2 g/l Cl 2-3 g/l Cl 3-4 g/l Cl 4-5 g/l Cl 5-6 g/l Cl 6-7 g/l Cl 7-8 g/l Cl 8-9 g/l Cl 9-10 g/l Cl g/l Cl g/l Cl g/l Cl Mayo 2008 Concentración de cloruros después de 2 años Mayo 2007 BARRERA HIDRÁULICA FASE 1 Llegenda <1 g/l Cl 1-2 g/l Cl 2-3 g/l Cl 3-4 g/l Cl 4-5 g/l Cl 5-6 g/l Cl 6-7 g/l Cl 7-8 g/l Cl 8-9 g/l Cl 9-10 g/l Cl g/l Cl g/l Cl g/l Cl Mayo 2009

37 SEGUNDA FASE: 14 pozos de inyección Fase 2: Zona Franca Barcelona Fase 1 Fase 2: Zona Prat PTAR Concentración de cloruros en el acuífero principal del Delta del Llobregat (2007)

38 Red de control de la barrera completa: La red de control de toda la barrera está formada por 51 puntos. Se controlaban más de 30 Km 2 de acuífero para conocer su impacto. Barcelona Fase 2: Zona Franca Fase 1 Pozo de inyección (14) Pozo industrial (13) Nuevo piezómetro (17) Piezómetro existente (7) Fase 2: Zona Prat Planta de Tratamiento de Agua Residual

39 Nivel en los piezómetros de control: INICIO FASE 2 BARRERA Todos los piezómetros de control mostraron en 8 meses niveles piezométricos por encima del nivel del mar, y en cotas comprendidas entre 0 y 3 msnm. La barrera funcionaba, ya que manteniendo así el nivel en el acuífero se evitaba la progresión de la intrusión marina hacia el interior.

40 Evolución de la concentración de cloruros en el acuífero con la barrera hidráulica ( )

41 Inversión total para la construcción de la barrera: 23 M Aportados por la Agencia Catalana del Agua y el Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino. Parte de la misma está financiada con fondos FEDER de la Unión Europea. Planta de tratamiento avanzado para producir 15,000 m 3 /día de agua tratada de alta calidad (potable). Más de 7 Km. de tuberías de conducción de agua. 14 pozos de inyección (construcción y equipamiento). 17 nuevos piezómetros de control con sistemas remotos (construcción y equipamiento). Costo de explotación (Q inyección: 8,300 m 3 /día): 0.19 /m 3 de agua inyectada Costos fijos (membranas, personal,...): 0.09 /m 3 Costos variables (reactivos): 0.04 /m 3 Energía (0.63 Kw/h/m 3 ): 0.05 /m 3 Consultoría hidrogeológica y análisis hidroquímicos: 0.01 /m 3 Para un caudal de inyección de 15,000 m 3 /día se estimaba un coste de explotación de 0.15 /m 3

42 Recarga artificial con agua tratada en un acuífero sobreexplotado en México

43 1) La demanda de agua y los recursos hídricos de Ags. La demanda total de agua en Aguascalientes es de unos 485 Mm 3 /año (datos del año 2010). El principal consumo es para la agricultura (335 Mm 3 /año). La producción de forrajes para la industria lechera es el principal consumidor hídrico, ya que Aguascalientes produce unos litros de leche al día. El abastecimiento urbano y doméstico es de unos 120 Mm 3 /año, un 20% del total, y la industria en Aguascalientes necesita ahora unos 10 Mm 3 /año. Volumen Uso Estimado (Mm 3 /año) Agrícola Público - Urbano Industrial 9.2 Servicios 4.6 Pecuario 5.0 Múltiple y otros 14.8 Total La mayoría de los recursos hídricos proceden del acuífero del Valle de Aguascalientes, del cual se extraen unos 430 Mm 3 al año por medio de más de 2,000 pozos. Público Urbano 20% Industrial 2% Servicios 1% Otros 3% Agrícola 74% XIII Congreso de Hidrogeología ALHSUD, Mérida, México, de Agosto 2016

44 El acuífero del Valle de Aguascalientes (México) está intensamente sobreexplotado. La extracción de agua de los pozos (485 Mm 3 /año) supera en mucho la recarga natural, que se da principalmente por la infiltración de la lluvia (168 Mm 3 /año). Ello provoca el consumo de las reservas hídricas del acuífero y el abatimiento de los niveles freáticos. El acuífero también se recarga por las pérdidas de las redes de abastecimiento (38 Mm 3 /año) y saneamiento (12 Mm 3 /año). El volumen de agua almacenada es cada vez menor y el consumo de las reservas de agua es alarmante. El descenso de las reservas hídricas desde 1993 a 2010 se estima, en promedio, de 76 Mm 3 cada año. El modelo de explotación actual de los recursos hídricos no es sostenible y compromete seriamente el desarrollo socioeconómico del Estado.

45 Consecuencias de la sobreexplotación (1): Abatimiento anual del nivel del agua del acuífero de 1.5 a 4 m. Deterioro de la calidad de agua para el abastecimiento urbano. Aparecen elementos nocivos en el agua subterránea como flúor, arsénico, hierro y mercurio, entre otros m NE 33m NE 48m NE 54m NE 65m NE 87m NE 100m Fuente: CNA 2004 NE 115m NE 130m Nivel Estático 165 a 190 m 300

46 Consecuencias de la sobreexplotación (2): Sobrecostos en la extracción del agua cada vez más profunda. Agrietamiento del terreno: más de 300 km de grietas en la ciudad de Aguascalientes.

47 Acciones: 1.Realizar un Estudio de Diagnostico del acuífero para cuantificar en detalle el déficit hídrico. 2.Establecer escenarios futuros de planificación hídrica. 3.Realizar un Plan de Gestión del acuífero que incluya como alternativa un Plan de Recarga Artificial como elemento de gestión hídrica. 4.Planificar y realizar una Prueba Piloto de recarga artificial.

48 El Plan de Recarga Artificial para el acuífero de Aguascalientes estableció: 1. los volúmenes de agua disponibles para recargar; 2. los métodos de Recarga Artificial más aconsejables; 3. las mejores zonas de inyección; 4. la calidad del agua requerida en la recarga y sus tratamientos; 5. los sistemas de inyección y de control ; 6. los costos estimados de los diferentes Sistemas de Recarga Artificial. Los objetivos prioritarios son la sustentabilidad del acuífero y la mejora de la garantía del abastecimiento urbano

49 Cómo recargar el acuífero? Mediante recarga directa con pozos de inyección. La gran profundidad del agua por los abatimientos en el acuífero y la geología heterogénea, con capas de tobas poco permeables, desaconsejan el uso de balsas superficiales de recarga. Los modelos numéricos de infiltración de agua realizados a través de la zona no saturada del terreno, dan como resultado que mediante balsas de recarga superficial el agua tardaría entre 1 y 5 años en alcanzar el acuífero. XIII Congreso de Hidrogeología ALHSUD, Mérida, México, de Agosto 2016

50 Cuánta agua se puede recargar y con qué tratamientos y calidades? No existen cursos fluviales, por lo que toda el agua de recarga ha de ser agua residual procedente de PTAR tratada y regenerada para su reutilización. El agua de recarga debe cumplir calidad de agua potable de acuerdo con la norma NOM-014- CONAGUA-2003 de Agosto del Los tratamientos a realizar a los efluentes de la PTAR han de ser terciarios avanzados con desnitrificación, ultrafiltración, desinfección y, en parte, osmosis inversa para cumplir la Norma. Se dispone de unos 31 Mm3/año de agua procedente de efluentes de PTAR cercanas a las zonas de inyección y sin comprometer. El volumen total a recargar después de los tratamientos se estima en unos 25 Mm3/año aproximadamente. Caudal disponible procedente de PTAR para recarga artificial del acuífero XIII Congreso de Hidrogeología ALHSUD, Mérida, México, de Agosto 2016

51 La prueba piloto de recarga artificial está ya en marcha. Cuenta con 3 pozos de inyección y 11 de observación, e inyectará 30 l/s de agua residual tratada en el acuífero. Se monitorearán, identificarán y modelizarán los efectos de la inyección en el acuífero y en los pozos de abastecimiento con la finalidad de demostrar la viabilidad de la recarga artificial.

52 A A A 160 m 131 m 73 m 115 m 307 m A 550 m

53 Modelo numérico local de flujo y transporte. Porcentaje del agua de recarga en el acuífero después de 4 años. K = 20 m/d K = 1 m/d Las estimaciones iniciales prevén que el impacto de la recarga será local, y que no se llegará a afectar, al menos en 4 años, a ningún pozo de abastecimiento urbano de CAPAMA.

54 Experiencias innovadoras para abordar problemas de los recursos hídricos La recarga artificial de acuíferos con agua tratada: las experiencias de Barcelona (España) y Aguascalientes (México) FELIP ORTUÑO GOBERN Hidrogeólogo Principal ITASCA S.A. Santiago de Chile felip.ortuno@itasca.cl