UNIDAD VI
OBRAS DE CAPTACIÓN
6.1 Captación de agua superficial:
Las obras de captación de agua superficial, derivación o toma en ríos se conoce como: “bocatoma”. A través de estas estructuras se puede captar el caudal de diseño de un proyecto, que por lo general corresponde al caudal máximo diario.
Fig. 6.1
Cisterna: Las cisternas son sistemas de recolección y almacenamiento de aguas lluvias. Esta es una solución viable en zonas rurales donde no se dispone fácilmente de otras fuentes de agua. El agua recolectada se debe por lo menos filtrar y clorar. La calidad física y química del agua al comienzo de la lluvia no es aceptable, ya que arrastra y adsorbe partículas de polvo y otros contaminantes atmosféricos y de los tejados, por tal razón, este sistema no debería ser utilizado en zonas donde haya un desarrollo industrial importante donde; la contaminación del aire produciría agua de mala calidad como, por ejemplo, el fenómeno de lluvia ácida
(SO2 + H2O H2SO4)
Fig. 6.2
Cisterna para la captación de agua Pluvial
6.2 Captación de agua subterránea:
6.2.1 Generalidades: Para la construcción de una obra de captación de agua subterránea es necesario tener conocimiento de las características del suelo y de la hidráulica del agua subterránea.
Fig. 6.3
Captación de Agua Subterránea somera
6.2.2 Hidráulica de las aguas subterráneas: El comportamiento del movimiento del agua en el subsuelo no tiene el mismo comportamiento que el agua superficial. El comportamiento del agua subterránea se aproxima a la Ley de Darcy, que fue establecida experimentalmente.
La ecuación de continuidad establece que la descarga específica o flujo a través de un cilindro es:
v = Q / A
Donde: v = Velocidad (m/s) Q = Caudal (m3/s)
A = Área transversal del cilindro (m2)
Según el experimento de Darcy, él estableció que la velocidad del flujo a través de un medio poroso (v), es proporcional a la diferencia de presiones entre dos secciones de un volumen de control y la longitud entre ellas.
Por lo que se tiene:
v = K (h / l)
Donde: K = Conductividad hidráulica
h/l = i = Gradiente hidráulico o pérdidas de energía por unidad de longitud.
h = Carga hidráulica
Q = v A
O
Q = K i A
6.2.3 Pozos: Pueden ser superficiales o profundos, dependen de la naturaleza de las formaciones geológicas y de la hidráulica subterránea.
Los pozos se pueden clasificar en pozos excavados que son hechos manualmente con un diámetro de orificio amplio (0.8 a 1.20 m, pudiendo alcanzar hasta 2 m) y son poco profundos, por lo general su profundidad no es mayor de 20 metros. Los pozos hincados son realizados golpeando un tubo con un martillo o martinete y pueden alcanzar profundidades hasta 25 m, en tierra no muy compacta. El diámetro de la perforación es del orden de 50 mm (2”).
Los pozos perforados son de mayor profundidad y de pequeño diámetro alcanzando profundidades mayores a 150 m. Pudiendo ser pozos perforados pocos profundos y muy profundos, ejemplo de estos son los localizados en la Ciudad de Diriamba, donde el nivel freático se localiza a 130 m de profundidad como promedio.
Los pozos para la explotación de agua subterránea deben diseñarse para obtener la mayor productividad, asociada con el máximo gasto específico, para reducir al mínimo los costos de operación y mantenimiento, para lo cual se seleccionan los materiales que garanticen la vida económica del pozo, dimensionando sus elementos estructurales a fin de obtener costos de construcción razonables.
Profundidad del pozo: La profundidad total de un pozo se rige fundamentalmente por:
• Espesor y niveles relativos del acuífero o acuíferos que se vayan a explota. El pozo se perforará a una profundidad que garantice un caudal específico alto, y el mayor abatimiento disponible, que permita incrementar la producción razonablemente.
• La profundidad a que se encuentra el nivel freático más profundo por explotar, cuando existen varios.
• La calidad del agua, factor que en ocasiones limita la profundidad y otras la propicia.
• El caudal a extraer.
Diámetro de la cámara de bombeo: Éste queda definido por el caudal que se va extraer, ya que de éste depende el diámetro de los tazones de la bomba. Generalmente el ademe ciego que formará la cámara de bombeo, se le asigna un diámetro mínimo de 3” (75 mm) mayor que el diámetro de los tazones de la bomba.
Dademe = Dtazones + 3”
El diámetro de los tazones (pulgadas) en términos generales; es igual a la raíz cuadrada del caudal máximo (litros por segundo), más una pulgada.
Dtazones = (Q)1/2 + 1”
El diámetro de la perforación corresponde al diámetro del ademe más un espacio adicional para el filtro anular de grava cuando requiera:
Dperforación = Dademe + 2 o 3”
Con los criterios anteriores se satisfacen los siguientes requisitos:
• La bomba turbina, ya sea o no con motor sumergible, se puede alojar holgadamente en la cámara de bombeo.
• Se tiene satisfactoria eficiencia hidráulica, con pérdida por fricción razonable.
• Se absorben pequeñas desviaciones o torceduras de la cámara, con lo que la columna de la bomba queda sensiblemente vertical.
Solo en casos muy especiales, el diámetro de la cámara podrá ser tan solo 2” (50 mm) mayor que el del exterior de los tazones, para diámetros pequeños de éstos.
Ejemplo 6.1: Se desea perforar un pozo para extraer un caudal de 25 l/s, determine el diámetro de la perforación, del ademe y de los tazones en función del caudal.
Solución:
Diámetro de los tazones:
Dtazones = (25)1/2 + 1” = 6”
Diámetro del ademe:
Dademe = 6” + 3” = 9”
Finalmente se calcula el diámetro de la perforación:
Espesor de la tubería: En general las tuberías son de acero de grado B y su espesor se determina con la fórmula recomendada por la American Petroleum Institute:
H = 28.64 x 106 / (D/t (D/t – 1)2)
Donde: H = Profundidad de diseño del tubo (m) D = Diámetro exterior de la tubería t = Espesor de la tubería
Cuando se tengan problemas derivados de activa corrosión electrolítica, los espesores obtenidos con la fórmula propuesta se incrementarán en un ¼” (6.35 mm). Se usan los espesores comerciales más próximos disponibles en el mercado. El espesor del tubo filtro o malla depende de las especificaciones de fabricante.
Diseño del tubo filtro o tubería productora: El diseño de la malla o tubo filtro depende de los siguientes factores, tanto para pozos con filtro natural como artificial:
• Longitud: Se fija en función de la permeabilidad y espesor de los estratos productores.
• Abertura: Se selecciona para proteger el material de las formaciones alrededor del tubo filtro, impidiendo el paso de materiales finos al interior de éste, ya sea con o sin el auxilio del filtro artificial de grava
• La distribución y el número de las aberturas depende del tipo y fabricante del cedazo, así como el filtro proyectado.
• Diámetro: Se determina en función de la velocidad del agua a través del cedazo, la cual no deberá ser mayor de 3 cm/s, para minimizar las pérdidas por fricción a través de las ranuras, reducir las posibilidades de arrastre de arenas finas y contrarrestar los fenómenos de corrosión e incrustación de aguas.
Longitud de la tubería productora: Depende del tipo de acuífero, del abatimiento máximo disponible y del espesor y estratificación de los acuíferos. No es necesario que la malla cubra totalmente el espesor del acuífero para obtener la máxima producción del pozo.
Abertura del cedazo: Depende de la curva granulometría de las formaciones acuíferas y de la calidad del agua, así como de la granulometría de la grava filtro
En formaciones homogéneas, de arenas finas y gruesas, las aberturas del tubo de cedazo se fijarán para el tamaño del material que retenga el 30% del acumulado, cuando el agua es excesivamente incrustante; el 40% si es ligeramente corrosiva; el 50% si es extremadamente corrosiva, y el 40 o 50% si es ligeramente incrustante o el acuífero es delgado y colinda con formaciones de materiales finos no consolidados, o bien si el tiempo que dure el desarrollo es limitante.
En tubo cedazo tipo rejilla, se recomiendan aberturas mínimas de 0.25 mm (No 10)
y 0.5 mm (No 20), para aguas extremadamente corrosivas e incrustantes,
respectivamente.
Finalmente, si la formación requiere de la colocación de la formación de un filtro de grava, entonces la abertura será menor que dos veces el tamaño del material retenido, para las aberturas antes mencionada.
Diseño del filtro grava: Para cumplir su función el material deberá ser granular, limpio, redondeado y ligeramente más grande que los finos del acuífero, para que durante el desarrollo del pozo se mezcle con el más grueso del propio acuífero, incrementando con ello la permeabilidad y transmisibilidad de la zona periférica colindante con el pozo.
Un filtro debe cumplir con las siguientes especificaciones:
• Su permeabilidad será cien veces mayor que la del material del acuífero protegido, permitiendo así un flujo fácil, con un mínimo de pérdidas hidráulicas.
• Que los granos del acuífero sean retenidos por el filtro, sin obstruirse.
• Que las partículas menores del propio filtro sean retenidas por sus granos de mayor tamaño, para lo cual su material debe estar bien graduado y contener un máximo de 5% de finos.
Espesor del filtro: Se define como el ancho del espacio anular comprendido entre las tuberías de ademe y las paredes del agujero perforado. Un filtro con espesor 2 a 3 veces el diámetro de sus partículas es funcional, pero en la práctica de campo se requieres espesores mínimos de 3” (75 mm), hasta profundidades de 75 m, aumentando hasta 6” (150 mm) para grandes profundidades.
6.2.4 Galerías de infiltración: Son obras hidráulicas horizontalmente extendidas para la captación y extracción de agua subterránea.
agua subterránea de acuíferos de poca profundidad con un pequeño espesor saturado y tienen que ser explotados en una gran área de contacto.
Muchas veces se construye una galería paralela a una fuente de agua superficial en vez de tomarla de ella, por presentar esta meno contaminación. También son recomendables en áreas costeras en donde el agua dulce que se va extraer se encuentra sobre del agua salada y en riveras de ríos.
Clasificación: Estas se pueden clasificar de diferentes formas: 1.- Según su método constructivo:
• Zanjas de percolación
• Drenes de infiltración
• Túneles de infiltración
Las zanjas son de fácil construcción y pueden tener una gran capacidad y prolongada vida útil sin embargo si las zanjas son descubiertas el agua recolectada estará expuesto a la contaminación bacteriana y el crecimiento de algas.
Los drenes y túneles de infiltración son más caros de construir y su diseño es más complicado. Los drenes pueden estar sujetos a colmatación. La ventaja de los drenes y túneles es que son completamente subterráneos de tal forma que el agua recolectada esta protegida contra la contaminación. Los drenes tienen poros, perforaciones o uniones abiertas que permiten el ingreso del agua subterránea. Estos pueden ser de cerámica, arcilla vitrificada, concreto, plástico y asbesto cemento.
Criterios de diseño: Cuando se proyecte la construcción de una galería de infiltración como fuente de abastecimiento de agua, será necesario que ésta sea capaz de proporcionar un caudal determinado en todo tiempo. Por lo que el acuífero debe tener la capacidad de proveer los requerimientos de agua a finales de la estación seca.
Parámetros de diseño: Los parámetros que influyen en el rendimiento de las galerías de infiltración, fuera de las condiciones geométricas impuestas por el diseñador son:
- El coeficiente de permeabilidad promedio del acuífero, el espesor del mismo y en caso de acuíferos de escurrimiento propio, el gradiente hidráulico.
De esos tres factores, el que influye en todo tipo de galerías es el coeficiente de permeabilidad del acuífero. El valor de coeficiente de permeabilidad varía de acuerdo a numerosos factores, entre los cuales están:
• Disposición de los granos
• Viscosidad y densidad del fluido
Criterios de ubicación: Las galerías se ubicaran lo más alejados posibles, como mínimo 15 m (OPS) de lagunas de estabilización, lechos percolados, letrinas y descarga industriales. La mayoría de las galerías se construyen en los márgenes de los ríos, lagos o debajo del lecho de ellos. Se deben donde la diferencia de elevación entre el nivel de agua y los márgenes sea mínima, con el objetivo de que el nivel freático esté los más cerca posible de la superficie evitando así grandes excavaciones.
Las galerías de infiltración se orientan de acuerdo a la dirección predominante del flujo subterráneo. Cuando la velocidad de un río es pequeña y existen estratos de alta permeabilidad que se conectan con el río, la galería de infiltración normalmente se instala paralela al eje del mismo. En este caso la dirección del flujo subterráneo es principalmente desde el río hacia la galería, aunque en la dirección opuesta de la misma también penetrará el agua, ya que todo el acuífero se encuentra saturado.
En caso no existen estratos permeables, la galería se instalará por debajo del río, normal al eje. La misma solución se emplea cuando el acuífero es de baja permeabilidad.
La selección final del sitio se hará basándose en la permeabilidad promedio del acuífero, para estimar, la producción por metro lineal de galería. A mayor permeabilidad menor longitud de galería y viceversa.
Criterios de selección: Estará en función de los requerimientos de agua a satisfacer, de las facilidades técnicas y, de las condiciones naturales. La selección de una galería que comprometa todo el espesor del acuífero y otra que sólo aprovecha la parte superior de mismo, dependerá de la permeabilidad del suelo, del espesor del acuífero, del equipo disponible y de la demanda de agua.
En acuíferos de poco espesor las galerías se colocarán en el fondo. En acuíferos de mediano espesor se debe analizar si hacer una excavación profunda para comprometer todo el acuífero o excavar poco para determinar el mejor rendimiento. En acuífero de más de 10 m de espesor lo más recomendable es captar solamente de la parte superior.
Diseño de los componentes de una galería de infiltración: Tubo recolector: Se deberá tomar en cuenta lo siguiente:
• El tipo de material puede ser de asbesto cemento, hierro fundido, hormigón simple o armado o PVC (cloruro de polivinilo)
• La pendiente, debe producir una velocidad de aproximadamente 0.60 m/ s, para evitar sedimentación del material fino.
• Las pérdidas por fricción deben ser mínimas
• Se deberá proveer un máximo de área abierta o perforada, para que el agua pase del acuífero al conducto a una velocidad tal que arrastre la menor cantidad de fino posible. Las velocidades serán entre 5 a 10 cm/ s, con un coeficiente de contracción de entrada por orificio de 0.55
A = Qu / (Ve x Cc)
La longitud mínima de galería (L) estará en función del caudal de diseño Qd y del caudal de rendimiento máximo por unidad de longitud (Qu)
L = Qd / Qu
Forro filtrante: Su función principal será de impedir que el material fino del acuífero llegue al interior del conducto, sin ofrecer una alta resistencia a la filtración. Se considera que cuando la permeabilidad del forro filtrante es veinte veces mayor que la permeabilidad del acuífero se proporciona un drenaje libre.
Los espesores de cada capa no deben exceder los 0.15 m.
El diámetro de los huecos del filtro no tiene que ser menor que todas las partículas del acuífero, basta con que el diámetro de los huecos del filtro sea menor que el D85 del material del acuífero.
Pozo colector: Su función es recibir el agua que escurre y además permitir el bombeo de ella. Puede ser rectangular o circular, sus dimensiones serán las necesarias para permitir labores de limpieza y mantenimiento del pozo, conductos válvulas de la bomba. El fondo del pozo deber estar 0.60 m por debajo de la cota invert del tubo colector.
Pozo de inspección: Para el mantenimiento de la galería es conveniente colocar cámaras de inspección en el extremo inicial y a intervalos regulares aproximadamente de 50 m, para diámetros menores de 600 mm (24”) y 100 m para diámetros mayores de 600 mm (24”)
