Pozos perforados
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Definición y descripción de un pozo
Un pozo es un agujero, excavación o túnel vertical que perfora la tierra hasta cierta
profundidad para alcanzar un material en específico. En nuestro caso, un pozo de
agua es una obra de captación vertical que permite la explotación del agua freática
contenida en los intersticios o las fisuras de una roca del subsuelo en lo que se
denomina acuífero. Los pozos presentan una gran diversidad en sus profundidades,
volúmenes de agua, coste y pureza de la misma, que puede necesitar o no de un
tratamiento antes de ser consumida.
Los pozos excavados se encuentran entre las fuentes de aprovisionamiento de
agua más antigua. Los primeros pozos eran simples agujeros sin protección frente
a los desprendimientos, los cuales no han resistido el paso del tiempo.
Los pozos tradicionales para recoger agua en la actualidad, suelen emplazarse en
el entorno de las casas, bien en el patio de la vivienda o en la zona común vecinal
(plaza, encrucijada de calles), siempre y cuando se halle agua a un nivel
moderadamente profundo. Por seguridad y utilidad, el pozo se rodea a nivel de
superficie con un brocal, a modo de pretil o parapeto, sobre el que se instala una
polea o un cigüeño, para subir el cubo que contiene el agua extraída. También se le
suele colocar una tapadera para evitar que caiga suciedad al interior.
Existen tres grandes categorías de pozos: los excavados, los hincados, los
aforados, más conocidos comúnmente como perforaciones, el cual es un término
ambiguo que designa al mismo tiempo una obra y una técnica de trabajo.
La elección del tipo de obra a realizar depende esencialmente de la profundidad de
la capa acuífera, de los datos hidrogeológicos del terreno, de la rapidez deseada y
del coste de la operación.
Pozos Excavados: Excavar el terreno con ayuda de un pico y una pala es la
técnica más sencilla y antigua. También es la más extenuante, aunque
resulta menos costosa. Requiere que el suelo esté relativamente blando y
que la capa freática no sea demasiado profunda. A menudo, estos pozos
están delimitados por piedras que los refuerzan y evitan su derrumbamiento,
aunque es altamente preferible encubarlos (mantenerlos en vertical) con
anillos de hormigón, que se pueden realizar con facilidad en el mismo lugar
mediante moldes. También se pueden utilizar medios mecánicos de
excavación menos rústicos para reducir los esfuerzos físicos importantes.
Los pozos excavados no son muy profundos (normalmente tienen entre 10
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y 20 m, y excepcionalmente llegan hasta los 30 o 40 m). Al ser poco
profundos, existe riesgo de contaminación y pueden secarse más
fácilmente que los otros tipos de pozos.
Pozos Hincados: Los pozos hincados se realizan mediante deformación. A
menudo se fija un filtro o tamiz en la parte inferior del conducto para filtrar la
arena y el resto de partículas e impedir que penetren en los pozos. Utilizando
esta técnica, solo se puede extraer el agua situada a profundidades medias
de entre 15 y 100 m. Al igual que los pozos excavados también están
expuestos a la contaminación y la desecación, aunque en menor medida.
Pozos Aforados o Perforaciones: Muchos de los pozos modernos son
pozos aforados excavados por percusión de una herramienta en el suelo o
por la acción rotatoria de una herramienta cortante (hoyadora,
taladradora, barrena) que gira alrededor de un eje vertical y rompe y tritura
las rocas, cuyos residuos suelen llevarse hasta la superficie a través de
lodos. Pueden alcanzar hasta 300 m de profundidad.
Características principales que hay tomar en cuenta en los
pozos
A fin de lograr el mejor diseño es necesario establecer algunas definiciones y
características de los pozos.
Nivel Estático del Agua (NEA): es la distancia medida desde la superficie del
terreno hasta el nivel del agua en el pozo no afectado por ningún bombeo. Este
nivel está definido por la línea de carga en el acuífero.
Nivel de Bombeo (N.B): es la distancia medida desde la superficie del terreno
hasta el nivel del agua en el pozo, cuando se extrae un determinado gasto.
(También se denomina nivel dinámico). Este nivel es dependiente del gasto
bombeado.
Abatimiento (A): es la diferencia entre el nivel de bombeo y nivel estático y
similarmente será función del gasto bombeado. Representa la carga en metros de
agua que produce el flujo desde el acuífero hacia el pozo y el caudal que se está
extrayendo.
Curva granulométrica: es la curva que se obtiene al graficar los porcentajes en
pesos retenidos en una serie de cedazos de la escala de Tyler o de la serie
estándar americana, de una muestra del material del acuífero, contra el tamaño de
las aberturas correspondientes a dichos cedazos.
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Tamaño efectivo: está representado por el tamaño de la abertura correspondiente
al 90% retenido de la curva granulométrica.
Valor modal: está representado por el tamaño de la abertura correspondiente al
70% retenido de la curva granulométrica.
Coeficiente de uniformidad: representa al cociente entre el tamaño efectivo y el
tamaño correspondiente al 40% retenido en la curva granulométrica y es
equivalente a la pendiente de dicha curva entre esos dos puntos.
Capacidad Específica: representa la relación entre el gasto extraído y el
abatimiento provocado para un tiempo determinado.
Se expresa C.E = Rendimiento/Depresión, en m3/hora/m, l/seg/m, m3/min/m.
Depresión: N.E.A - N.Bombeo en pie o en metro.
Rendimiento del Pozo (producción): es el volumen de agua por unidad de tiempo
que el pozo está descargando ya sea por bombeo (l/seg, m3/min).
Radio de influencia: es la distancia alrededor de la obra de captación hasta donde
llegan a ocurrir descensos en el nivel de agua cuando se realiza el bombeo.
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Captación de aguas subterráneas mediante pozos profundos en acuíferos libres.
Captación de aguas subterráneas mediante pozos profundos en acuíferos
confinados.
Donde:
A: abatimiento.
B: nivel estático.
C: espesor del acuífero.
D: nivel de bombeo.
R: radio del círculo de influencia.
F: cono de depresión.
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Principio de funcionamiento
El funcionamiento de los pozos está basado en el principio de cómo el agua
almacenada en los materiales del acuífero es cedida por drenaje gravitacional.
Al producirse el descenso del nivel estático del pozo, se establece un gradiente
hidráulico entre cualquier punto de la formación y el pozo, originándose un
movimiento radial desde todas las direcciones hacia el pozo en una forma simétrica
y de tal manera que el caudal Q que se extrae del pozo es igual al caudal que pasa
por cualquier sección del acuífero. A medida que la velocidad aumenta mayor será
el gradiente hidráulico ya que aumenta la fricción existente entre el fluido y las
partículas sólidas en contacto; es por eso que lo que se forma alrededor del pozo
se le conoce como cono de depresión que sobre un plano vertical presenta una
curva conocida con el nombre de curva de abatimiento.
La forma convexa del cono se debe a que el agua que fluye radialmente hacia el
sondeo tiene que atravesar cada vez secciones menores (las paredes de
imaginarios cilindros concéntricos con el sondeo), de modo que, según Darcy, si
disminuye la sección, tendrá que aumentar el gradiente para que el producto
permanezca constante. La forma, alcance y profundidad de este cono de depresión
dependerá de las condiciones hidrogeológicas (transmisividad y coeficiente de
almacenamiento del acuífero), del caudal y el tiempo de bombeo o inyección. En el
acuífero confinado el cono de depresión es la representación de la variación de los
niveles piezométricos en tanto que en el acuífero libre es además la forma real de
la superficie piezométrica.
En un acuífero libre, es la superficie freática la que toma la forma del cono de
descenso. En cambio, si lo que se bombea es un acuífero confinado o semi
confinado, y suponemos que la superficie piezométrica inicial es horizontal, al iniciar
el bombeo es dicha superficie la que
forma el cono de descensos, y son
igualmente válidas las consideraciones
anteriores. En ambos casos, libre y
confinado, el agua circula radialmente
hacia el sondeo, pero la diferencia es
que en el acuífero libre el agua circula
por toda la sección transversal, desde
el cono hacia abajo, mientras que en el
confinado solamente circula por el
propio acuífero.
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Desde mediados del siglo XIX se intentó encontrar expresiones matemáticas que
reflejaran la forma y evolución del cono de descensos. Es evidente la utilidad de
estas expresiones en la práctica: podremos evaluar la influencia que tendrá un
bombeo en puntos vecinos; si el radio de nuestro bombeo podría llegar a una zona
determinada en la que se infiltra agua contaminada, o calcular si será preferible
extraer el caudal necesario mediante un solo sondeo de mayor caudal o con varios
de menor caudal, etc.
Durante muchos años se ha buscado describir el movimiento del flujo subterráneo,
el cual es visto de dos maneras:
1. Movimiento no permanente
En 1935 Theis planteó el modelo matemático para describir el movimiento de agua
subterránea en acuíferos homogéneos e isotrópicos. Este modelo describe el flujo
transigente en acuíferos bajo condiciones constantes de extracción de un pozo en
acuíferos. A pesar de sus limitaciones tiene muchas aplicaciones en la hidráulica de
pozos. Trata el pozo como una línea origen y no toma en consideración el agua
obtenida del almacenamiento dentro del pozo. Papadopulos y Cooper generalizaron
la ecuación de Theis considerando los efectos de almacenamiento.
Se presentan varios casos:
a) Pozos de diámetro pequeño: en estos pozos usualmente el diámetro varía
entre 0.05 m y 0.25 m. Para caracterizar el movimiento del flujo se
consideran diferentes condiciones para los acuíferos, de dicha manera
tenemos:
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Acuífero Confinado
Para el cumplimiento del modelo, Theis tomó diferentes consideraciones, consideró
un acuífero homogéneo e isotrópico, horizontal y de espesor constante “b”; una
descarga constante “Q”; no hay goteo; el acuífero es de extensión infinita; el
diámetro del pozo es infinitesimalmente pequeño, es decir, se desprecia el
almacenamiento del pozo; el pozo penetra todo el acuífero; antes del bombeo la
carga piezométrica en el acuífero es la misma en cada punto del mismo; la
descarga del pozo es obtenida exclusivamente del almacenamiento del acuífero; el
almacenamiento en el acuífero es proporcional a la carga hidráulica.
La ecuación de movimiento que gobierna el flujo en acuíferos isotrópicos es:
(
)
Dónde: T es la Transmisividad, S el coeficiente de almacenamiento y K la
conductividad hidráulica.
Theis encontró la función de abatimiento por analogía de transferencia de calor en
sólidos:
( )
Donde A es una constante, y
. Para un tiempo (t) mayor que cero el
volumen total (V) de agua tomado del acuífero es:
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∫
Al final se obtiene la función de pozo de Theis:
Su solución está dada por una serie de potencias:
( ) ( ) ∑( )
De dicha manera podemos definir el abatimiento en función de la curva de Theis:
( )
( )
La curva típica de Theis es útil para determinar los parámetros hidrogeológicos de
acuíferos confinados usando datos de pruebas de bombeo. También se pueden
trazar isolíneas de tiempo graficando el abatimiento en función del radio e isolíneas
de radio, graficando el abatimiento en función del tiempo.
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Cooper y Jacob en 1946 tomaron otras consideraciones determinándose de dicha
manera la ecuación conocida como Ecuación de Jacob:
Una de las aplicaciones de esta ecuación es para encontrar el radio de influencia
cuando el abatimiento es nulo:
La ecuación de Jacob tiene la ventaja, respecto a la ecuación de Theis, de no
requerir la consulta o tablas de la función de pozo de Theis.
La capacidad específica, CE de un pozo es definida como la relación de su
descarga con su abatimiento total [CE=Q/s]; en otras palabras es el caudal por
unidad de abatimiento. Se puede desarrollar una muy simple ecuación para estimar
la transmisividad a partir de la capacidad específica, usando la ecuación de Jacob.
Esta derivación está basada en un diámetro medio del pozo en un período
promedio de bombeo, y valores típicos del coeficiente de almacenamiento y
producción específica.
Para acuíferos confinados, Driscoll en 1986 (Batu, 1998) asumió los siguientes
valores típicos:
Si se tienen múltiples pozos, la información obtenida de las anteriores ecuaciones
puede usarse para estimar la conductividad hidráulica promedio (Kmed [m/d]) del
acuífero, mediante la siguiente relación:
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Donde K es la conductividad de cada pozo, n es el número del pozo y L es la
longitud del filtro.
En 1984, Chen extendió la ecuación de Theis, para acuíferos de extensión lateral
finita, como islas o meandros. Determinó que la distancia en la cual el abatimiento
es nulo, en condiciones de bombeo, es conocida, y la llama R. Es decir: s(R,t) = 0,
donde R es la es la distancia radial donde la energía es cero. La solución
encontrada se conoce como la Ecuación de Chen (Batú, 1998):
Donde:
Donde:
J0, J1: función de Bessel de orden cero y uno.
βn: es la enésima raíz que satisface J0(R χn) = 0.
Acuífero Semiconfinado
Hantush y Jacob en 1955 (Batu, 1998), desarrollaron el modelo aplicable a
acuíferos semiconfinados, isotrópicos y homogéneos, ilustrado en la Figura 6. Estos
dos
investigadores tuvieron en cuenta las siguientes suposiciones: Acuífero homogéneo
e isotrópico, Acuífero horizontal y de espesor constante, b, y su capa confinante
posee un espesor constante b’ y una conductividad hidráulica vertical K’; Descarga
contante, Q; Acuífero de extensión infinita; El diámetro del pozo es
infinitesimalmente pequeño, es decir que no existe almacenamiento en el pozo; El
pozo penetra todo el acuífero; La capa confinante no almacena agua; El flujo en el
acuífero es horizontal y el goteo es vertical; Inicialmente, la tabla de agua posee la
misma altura de la carga hidráulica del acuífero y es igual a h0.
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Basándose en los parámetros expuestos y valiéndose de las ecuaciones
planteadas por Theis y la ley de Darcy, obtuvieron la ecuación que define el
movimiento:
Donde:
Es la función de pozo para acuíferos semiconfinados de Hantush y
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Jacob. Está función describe una serie, cuya expresión es:
Acuíferos Libres
En 1972, Neuman, aprovechando desarrollos realizados por Boulton (1954), (Batu,
1998) simplifico la ecuación de movimiento en acuíferos libre, ilustrados en la
Figura. Las consideraciones que él tuvo en cuenta son: La tasa de bombeo es
contante, Q; el diámetro del pozo es infinitamente pequeño; el pozo penetra
completamente en el acuífero; en la zona saturada del acuífero , la ley de Darcy se
cumple siempre; el acuífero tiene extensión lateral infinita; el material del acuífero
es homogéneo pero anisotrópico, y su principal conductividad hidráulica está
orientada paralela a los ejes coordenados; el agua es bombeada por compactación
del acuífero, expansión del aguay drena por gravedad de la superficie libre; el pozo
puede ser tratados como una línea hundida; el abatimiento de la tabla de agua es
pequeño comparado con el espesor de la zona saturada; los efectos de capilaridad
son despreciables.
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La posición de la superficie libre de los acuíferos libres cambia en el espacio bajo
condiciones de flujo transiente, por este motivo, la superficie libre es tratada como
una frontera en movimiento. Bajo esta concepción, la frontera de la región de flujo,
consiste de tres partes complementarias, mostradas en la Figura: La frontera de
carga prescrita, A1, la frontera de flujo prescrito, A2 y frontera de la superficie libre,
FS. Las otras fronteras tienden al infinito. La pared del pozo se incluye en A1.
La solución encontrada por Neuman para el abatimiento es:
b) Pozos de Gran Diámetro
Los pozos de diámetro pequeño son representados mediante una serie de modelos
matemáticos, esta aproximación es inapropiada para pozos con un diámetro mayor.
En particular los radios de los pozos excavados pueden ser de 0.5m – 2m o más.
La teoría de Theis asume que el pozo es una línea en el origen. Esta suposición no
tiene en cuenta los efectos significativos de almacenamiento. Los efectos de este
almacenamiento en el pozo, llegan a ser importantes cuando la transmisividad y el
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coeficiente de almacenamiento del acuífero son pequeños o cuando diámetro del
pozo de bombeo es grande. Papadopulos y Cooper (1967) desarrollaron soluciones
analíticas en y alrededor de pozos de gran diámetro en acuíferos confinados
homogéneos e isotrópicos, tomando en cuenta los efectos del almacenamiento
dentro del pozo. Después, Moensch (1985) presentó modelos matemáticos que
combinaron los acuíferos semiconfinados de Hantush (1985) con la teoría antes
mencionada del flujo en pozos de gran diámetro.
La Figura muestra la sección transversal de un pozo de gran diámetro que penetra
totalmente un acuífero confinado. Papadopulos y Cooper (1967) desarrollaron una
solución analítica bajo condiciones de explotación con las siguientes suposiciones:
el acuífero es un homogéneo e isotrópico; el acuífero es horizontal y tiene un
espesor constante (b); la tasa de descarga (Q) del pozo es constante; el acuífero no
tiene goteo y es horizontalmente infinito; el pozo penetra totalmente el acuífero; las
pérdidas en el pozo son despreciables; antes del bombeo, la carga hidráulica en el
acuífero es la misma en todos los puntos del acuífero; la descarga de los pozos es
derivada exclusivamente del volumen almacenado en el acuífero; el agua es
inmediatamente tomada en el bombeo, lo que hace decaer la carga hidráulica; el
almacenamiento en el acuífero es proporcional a la carga hidráulica.
Resolvieron el problema planteado llegando a la siguiente ecuación, cuya solución
está en función de las ordenadas de Laplace y la serie de Bessel:
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2. Movimiento Permanente
Después de largos períodos de bombeo o recarga de un pozo, el flujo de aguas
subterráneas alrededor de un pozo se aproxima al estado estable. Esto significa
que la carga hidráulica del pozo en cualquier punto del acuífero no cambia con el
tiempo. El período requerido para alcanzar el estado estable depende de las
características hidráulicas del acuífero. Para los acuíferos menos permeables el
período es más largo que para los altamente permeables. Las soluciones de estado
estable juegan un papel muy importante en el análisis de datos de abatimiento para
la determinación de las características hidráulicas del acuífero y hacer el avalúo de
la zona de influencia de un pozo o una batería de pozos.
a) Acuífero Confinado
Thiem (1906) fue el primero en derivar una solución para el flujo hacia un pozo en
condiciones estables para acuíferos confinados con base en las siguientes
suposiciones: Acuífero horizontal y con espesor constante; acuífero homogéneo e
isotrópico y de extensión lateral infinita; la carga hidráulica tiene una superficie
horizontal antes del bombeo; la ley de Darcy es válida en el acuífero; el agua es
instantáneamente removida del almacenamiento proporcionalmente con el
decaimiento de la carga hidráulica; la tasa del bombeo del pozo es contante; el flujo
es simétrico con respecto al eje del pozo.
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Utilizando la ecuación de continuidad, a cualquier anillo concéntrico al pozo y
teniendo en cuenta que se analiza el proceso de bombeo, el caudal es negativo (si
el pozo fuera de inyección el caudal sería positivo), se tiene que:
Donde vr es la velocidad radial dada por la Ley de Darcy:
Al final de una serie de procesos matemáticos se obtiene la ecuación de Thiem:
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Con dicha ecuación se puede predecir el radio de influencia de un pozo:
b) Acuífero Semiconfinado
La solución propuesta independientemente por De Glee & Jacob, se basa en las
siguientes suposiciones: El acuífero es limitado abajo por un lecho impermeable, y
arriba por una capa semiconfinante; sobre la capa semiconfinante, existe un
acuífero libre que tiene una tabla de aguas horizontal, cuya carga hidráulica es
constante (h0). El suministro de agua al acuífero libre es suficiente para mantener
h0 constante; l flujo en la capa semiconfinante es vertical; Las mismas suposiciones
del acuífero confinado.
La ley de Darcy conduce a:
También controla la velocidad de goteo:
Según Deglee – Jacob la ecuación que define el abatimiento es:
c) Acuíferos Libres
Dupuit en 1863 (Batu, 1998) indicó que la pendiente de la tabla de aguas, de un
acuífero libre bajo condiciones de no extracción a lo largo de una sección
transversal vertical es muy pequeña. El rango de valores típicos va de 1/1000 a
1/10000. Alrededor de un pozo de extracción en un acuífero libre la pendiente es
muy alta, con el descenso de la distancia radial del pozo dependiendo de las
conductividades hidráulicas verticales y horizontales del acuífero. La condición de
una pendiente geométrica pequeña significa que el flujo es esencialmente
horizontal y la carga hidráulica (h) es igual a la elevación de la tabla de aguas.
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Al final logran concluir que la tasa de descarga puede ser representada como:
Esta es la llamada ecuación de descarga de Dupuit - Forchheimer. Esta ecuación
es obtenida con base en las condiciones de Dupuit. Estas suposiciones no toman
en cuenta la forma curvilínea del flujo en un plano radial. Los componentes del flujo
vertical son despreciados. La ecuación da un resultado con razonable
aproximación, si la distancia radial r es suficientemente grande y los efectos
curvilíneos son despreciables. Luego, la aplicación de métodos numéricos (Boulton,
1951 (Batu, 1998)) e investigaciones experimentales ((Babbit y Cantwell, 1948)
(Peterson et al, 1952) Batu, 1998) muestran que la ecuación representa la
superficie libre para valores de r ≥ 1.5H, siempre y cuando el nivel de agua del pozo
(Ho) sea cero.
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Partes de un pozo
El pozo como obra de captación de un acuífero, está constituido por la rejilla de
captación, el centralizador, la tubería de revestimiento, la empacadura de grava
(caso de ser necesario), la bomba y los accesorios complementarios para el
funcionamiento correcto durante el período de diseño
La rejilla de captación: la colocación de la rejilla tiene por objeto la admisión en el
pozo de agua libre de arena y en cantidad elevada, con un mínimo de pérdida de
carga. La ranuración depende del tipo de material no consolidado tal como la
arena, que se encuentre en el acuífero. La rejilla permite que el agua fluya
libremente hacia el pozo desde la formación saturada, evitando que la arena
penetre y además actúa como un retenedor estructural que estabiliza el agujero
dentro del material consolidado. Si las ranuras o perforaciones del cedazo no son
de la dimensión precisa para el acuífero los pozos bombearán arena. Los cedazos
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se fabrican en tubos de metales diferentes con protección o sin ella en aleaciones
de plástico, concreto, asbesto-cemento o fibra de vidrio. Los más económicos y
comúnmente usados son los fabricados en tubo de acero con bajo contenido de
carbón. La rejilla del pozo debe ser de óptima calidad (de buena estructura,
resistente a la corrosión y eficiente desde el punto de vista hidráulico).
El centralizador: El propósito principal de usar el estabilizador es mantener una
desviación razonable del boquete, ayudando a asegurar la calidad de la
cementación, de tapar y del aislamiento para alcanzar buenos resultados.
Ademe del pozo: Es una tubería generalmente de acero, colocada con holgura
dentro de la perforación. Este componente proporciona una conexión directa entre
la superficie y el acuífero, y sella el pozo de las aguas indeseables superficiales o
poco profundas; además soporta las paredes el aguajero de perforación.
Relleno de grava: El relleno o macizo de grava es un procedimiento que consiste
en colocar grava seleccionada entre la parte de afuera de la rejilla y la pared del
acuífero. Evita la penetración de partículas y le sirve como un filtro natural.
Sello Sanitario: consiste en una argamasa impermeable que se coloca en el
espacio anular existente entre el terreno perforado y el tubo del pozo, desde la
superficie del terreno hasta una profundidad que no interfiera con la captación de
agua, evitando así el paso de las sustancias peligrosas.
Bomba: Dispositivo empleado para elevar, transferir o comprimir líquidos y gases,
son máquinas que realizan un trabajo para mantener un líquido en movimiento
consiguiendo así aumentar la presión o energía cinética del fluido.
Y otros accesorios complementarios para el funcionamiento correcto durante el
periodo de diseño.
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Métodos de perforación de pozos
La excavación se hace mediante sistemas de percusión o rotación. El material
cortado se extrae del hueco con un achicador, mediante presión hidráulica, o
con alguna herramienta hueca de perforar, etc. Pueden además combinarse
estos 2 sistemas en diversas formas.
Además de estos sistemas, en los últimos años se han desarrollado nuevos
métodos de perforación para pozos profundos, los cuales debido a sus grandes
costos y al tipo de terreno que atacan (principalmente rocas o formaciones
minerales de gran dureza) son usados en la construcción de pozos para agua
solo para abastecimiento de grandes poblaciones y en faenas de construcción
de pozos petroleros.
Perforación por percusión
En este sistema de perforación la acción de
perforar se lleva a cabo a través de un cable de
acero que levanta y deja caer un pesado conjunto
de herramientas dentro del agujero que se va
abriendo (por eso es conocida también como
perforación por Cable). El martillo de fondo o
trépano que se encuentra ubicado en la parte
inferior del conjunto de herramientas fractura la
roca y el material granular, convirtiéndolos en
pequeños fragmentos, los cuales pueden ser
extraídos mediante cucharas o mediante un
sistema de circulación de lodos de perforación
desde el fondo hasta la superficie. Este sistema
normalmente es mecanizado, aunque por la
simplicidad de su principio de funcionamiento, ha
sido implementado en forma manual a través de la
historia, teniéndose antecedentes de pozos de este tipo en la antigua civilización
Mesopotámica (aproximadamente hacia el siglo XII a.c.) y China (siglo X d.c.)
además de los métodos manuales más modernos que serán descritos más
adelante.
En caso de no usar lodos de perforación, cuando se atraviesan formaciones
suaves no consolidadas al perforar, es necesario hincar una tubería de
revestimiento que permita mantener estables las paredes del sondaje durante
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todo el proceso, para evitar así derrumbes. Además, este sistema tiene
múltiples variables dependiendo de la cuchara de fondo o trépano que se use
para la extracción del lodo de perforación mezclado con restos de material del
suelo, el cual puede ser una cuchara acondicionada para extracción (el caso de
las cucharas o válvulas de charnela o de dardo mostradas en las imágenes a
continuación), lo que implica tener que periódicamente retirar todo el sistema de
perforación para vaciar dichas cucharas, o simplemente para la rotura del
material (en el caso del trépano) en cuyo caso se usa un sistema de extracción
por circulación de lodos y el cable del sistema es reemplazado por un sistema
de tuberías por el cual circulan dichos lodos.
Este método de perforación consta comúnmente de las siguientes partes:
· Mástil o Torre: En los sistemas mecanizados generalmente son de tipo
telescópico y viene en dos tramos de 36 pies cuando está extendida y 22
pies cuando está recogida, con sus respectivos dispositivos de extensión. El
largo de la torre está en función de la elevación requerida al dejar caer el
sistema de tubos de perforación con el martillo de fondo.
· Barras de Perforación o Cable: Son las que unen el martillo o cuchara de
fondo con el sistema de levante.
· Sistema de Levante: Normalmente formado de un Cable o Cuerda unido a
una polea en la parte superior de la torre que levanta el sistema de tuberías
o el conjunto cable-cuchara. Es jalado mediante fuerza humana (en el caso
manual) o mediante un sistema motorizado incorporado al tren de rodaje del
sistema (en el caso mecanizado).
· Sistema de Circulación del Lodo de Perforación: Un sistema de bombeo que
hace que el lodo circule a través del pozo, permitiendo mantener la
estabilidad de las paredes y refrigerar la cuchara de fondo. Este lodo baja
por los lados de las barras de perforación y luego de mezclarse en el fondo
con el material triturado, es conducido al interior de la cuchara de fondo o
trépano, desde donde es llevado a la superficie. Dicho sistema de circulación
puede también funcionar de forma inversa, es decir, con el lodo bajando por
los lados y subiendo por dentro de las barras.
· Cuchara de Fondo o Trépano: Esta situado a continuación de las barras de
perforación. Es la parte más importante del sistema, dado que de ella
depende la forma de extracción de los restos de suelo (extracción de la
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cuchara completa o circulación de lodo de perforación) y la velocidad de
avance. Básicamente se pueden distinguir 3 tipos:
· Trépano: Es básicamente un martillo de acero, generalmente
diamantado o endurecido con tungsteno, cuya única función es triturar
el material del fondo con el impacto vertical. Luego de esto el material
se mezcla con el lodo de perforación y es absorbido por una válvula
situada en la parte superior del trépano, desde donde, por un sistema
de bombeo, es llevado a la superficie en forma continua a través de
los tubos de perforación.
· Cuchara de Charnela: Cumple funciones similares al Trépano pero
con una efectividad menor, debido a que debe conservar cierta
estabilidad estructural que le permita almacenar el material destrozado
mezclado con agua o barro de perforación en su interior. La entrada
del material se realiza mediante una compuerta en su parte inferior,
que es abierta al realizarse el impacto de la cuchara y cerrada al
levantarse ésta. Tiene el inconveniente de que para retirar el material
debe retirarse todo el sistema de barras en la parte superior, lo que
hace más demoroso este sistema.
Pozos perforados
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· Cuchara de Dardo: Similar en funcionamiento a la cuchara de
Charnela, pero con la ventaja de que el material entra por los lados de
la compuerta del fondo (la cual se mueve completamente en forma
vertical, a diferencia de la de Charnela que mantenía un extremo fijo)
lo que hace que puede tener un mayor peso con la consiguiente
ventaja de que puede tener más peso y estar dotada de un martillo
similar a los trépanos, lo que le permite mayor efectividad en la rotura
del material del suelo.
Tipos de Trépanos y Cucharas de fondo usadas en la perforación por percusión
A continuación se observa un cuadro comparativo de las dos variables de la
perforación por percusión.
Pozos perforados
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Percusión por cable Percusión con lodos de
perforación
Facilidad de implementación y
mantenimiento
Buena, debido al bajo costo y simplicidad del funcionamiento
Media, debido a que los costos son mayores y debe
agregarse un sistema de Circulación de lodos.
Tipo de suelos en que se aplica
Todos, especialmente Duros.
Todos, especialmente duros.
Extracción de Muestras para Detección del
acuífero
Buena, dado que el contenido de agua no es
alterado, permitiendo buena detección del
Acuífero.
Mala, dado que el material obtenido está mezclado
con el lodo de perforación, alterándose su contenido de
finos y humedad.
Entubamiento simultaneo a
perforación
Necesario solo en algunos tipos de formaciones.
Innecesario ya que el lodo de perforación estabiliza las
paredes del pozo.
Retiro de material desde el fondo
Lento, debido a que se debe retirar todo el
mecanismo de perforación y vaciarlo.
Rápido, debido a que es un Proceso continuo y
Simultaneo a la perforación.
Perforación por rotación
Este método consiste en horadar un agujero mediante la acción de un trépano
en la parte inferior de una tubería y remover los fragmentos que se producen
con un fluido que circula en forma continua conforme el trépano penetra los
materiales de la formación.
En este método la perforación se realiza mediante un sistema de tuberías con
una broca en su parte inferior la cual al rotar por la fuerza hidráulica dada al
sistema, va rompiendo el terreno. El retiro del material se realiza mediante la
circulación de lodos de perforación hechos de arcilla con agua (idealmente
arcilla bentonitica), existiendo una variable de este sistema que usa aire
comprimido como fluido para retiro del material, la cual será descrita más
adelante.
El fluido de perforación (aire o lodo) puede hacer el retiro de material de 2
formas:
Pozos perforados
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26
· Circulación Directa: En este método el fluido circula impulsado por
una bomba por el interior de las tuberías de perforación hasta llegar
al fondo del pozo, fluyendo luego hacia arriba por el espacio entre
el tubo y las paredes del pozo, logrando de esta forma arrastrar los
sedimentos de la perforación hacia el exterior del pozo por rebalse,
enfriar la broca permitiendo una perforación continua y además, al
penetrar la arcilla en las paredes del pozo, permite darles mayor
estabilidad, impidiendo derrumbes del mismo, con el efecto
contrario de que una vez terminado el pozo habrá que retirar esta
arcilla en un proceso de desarrollo del pozo ya construido.
· Circulación Inversa: En el caso de que los sedimentos sean de
mayor tamaño y peso (como es el caso de la perforación rotatoria
en gravas o rocas) estos no pueden ser arrastrados hacia arriba
por circulación directa, debiendo ser retirados a presión por una
bomba instalada en la parte superior de las tuberías de perforación.
Por este motivo la circulación se hace cayendo el fluido por el
espacio entre las tuberías y las paredes del pozo y ascendiendo
por dentro de los tubos.
En ambos sistemas el lodo, luego de ser retirado del pozo, es conducido a un
foso de sedimentación en donde las partículas pesadas extraídas del fondo
decantan, quedando en la parte superior de la fosa para su bombeo al pozo
realizándose nuevamente el ciclo.
Un equipo de perforación por rotación típico (generalmente mecánico) tiene a
modo general las siguientes partes:
· Mesa de rotación: Es el mecanismo que recibe la fuerza del motor hidráulico
y hace girar las barras de perforación, conocidas en los sistemas
mecanizados como Kelly, cuya parte superior va en su centro.
· Sarta de Perforación: El conjunto de tuberías que se emplea para la
perforación se denomina columna o sarta de perforación, y consiste en una
serie de trozos tubulares interconectados entre sí mediante uniones
roscadas. Este conjunto, además de transmitir sentido de rotación al trépano,
ubicado en el extremo inferior de la columna, permite la circulación de los
fluidos de perforación.
· Trépano: Estos tienen la función de disgregación del material durante la
Pozos perforados
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perforación de un pozo. Existe una amplia gama de estos y cada uno está
diseñado para determinados tipos de suelo con determinadas características
mecánicas y abrasivas. Los más usados son:
· Trépano de rodetes dentados: Este ejerce una acción cortante y de
trituración a la vez, logrando cortar formaciones duras con gran
efectividad. El más usado es el Tricono convencional, cuyos dientes
son hechos con acero al Tungsteno o al Cobalto) y el Tricono de
Botón, con dientes hechos de incrustaciones de carburo de tungsteno
u otras aleaciones de extrema dureza. No es recomendable para
suelos muy finos como arcillas o limos dado que este se adhiere al
espacio entre los dientes perdiendo efectividad el tricono.
· Trépano de Arrastre: Este tiene aletas cortas a sus lados y en la
parte inferior, las cuales idealmente llevan un tratamiento
superficial y un filo cortante forjado para darles mayor dureza, los
cuales producen una acción de corte y desgarre. Ideales para
formaciones semiconsolidadas como rellenos fluviales o
formaciones rocosas blandas pero inútiles en formaciones rocosas
o con bolones.
Pozos perforados
Ingeniera sanitaria 1
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· Bomba de lodos: Su función principal es tomar el lodo del fondo del
pozo y llevarlo hacia el exterior donde, en el caso de los lodos de
perforación, se depositan primeramente en un foso de sedimentación
para el depósito natural del sedimento o detritus pesado y luego el
lodo limpio fluirá hacia otra foso, en donde será bombeado hacia el
pozo para un nuevo ciclo. Es recomendable además incluir en el ciclo
una malla para retener las partículas pesadas.
· Motor: Encargado de dar fuerza a la mesa de rotación del sistema.
Generalmente va unido al chasis del camión donde va todo el equipo.
Además existen diversas variaciones del sistema para su optimización, como
la inclusión de un tornillo sin fin para el ascenso del lodo, el uso de diversos
tipos de brocas de diversos tipos, estabilizadores, etc.
Las principales ventajas de este método son su rapidez en comparación a la
percusión (especialmente en los suelos detríticos), la precisión en la
verticalidad que puede lograr, la versatilidad con que trabaja en los distintos
tipos de suelo y los grandes diámetros (hasta 50”) y profundidades (hasta 5000
metros para prospección minera). Por otro lado los bajos rendimientos en
terrenos duros debido al desgaste del trépano, la gran pérdida de lodos en
terrenos fisurados o muy porosos, los grandes costos tanto del equipo como de
su operación hacen de esta opción de perforación algo netamente mecanizado
y con grandes costos siendo su campo de trabajo las grandes industrias como
la minería (prospecciones geológicas) y la sanitaria (captaciones a gran
profundidad), quedando fuera del alcance económico prácticamente cualquier
Pozos perforados
Ingeniera sanitaria 1
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otra actividad económica a menor escala.
Perforación por Rotopercusión
Para solucionar los problemas de bajos rendimientos del sistema de percusión
y los altos costos (especialmente al trabajar en roca) del sistema de rotación,
es que a mediados del siglo XX surgió esta nueva forma de perforación. Esta
consiste, tal como su nombre lo indica, en un movimiento de rotación continua
combinado con la percusión periódica en forma de pulsos del trépano. El
trépano ocupado (martillo de fondo) gira entre 10° y 20° entre golpe y golpe.
Las primeras variaciones del método de rotación consistieron principalmente
en el reemplazo del lodo de perforación por aire comprimido. Luego de esto y
debido a la dificultad del trabajo de rotación en roca, se le agrego un
movimiento de percusión periódica a la sarta de perforación en la parte
superior de ésta, lo cual no resultó muy eficiente debido al amortiguamiento
que se produce en la sarta de perforación. Finalmente y para solucionar esto
se creó un trépano especial conocido como Martillo de Fondo, el cual produce
un golpeteo periódico de forma independiente a la sarta de perforación, de
manera que logra trabajar de mucho mejor forma en suelos rocosos sin la
abrasión excesiva del trépano.
Además existen otras variantes del método de rotopercusión que constan de
dos tuberías separadas para la perforación. Una de ellas (generalmente la
interior) va golpeando el suelo con un trépano de percusión mientras la otra,
generalmente la externa, mediante un trépano de corona (similar al usado para
Pozos perforados
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la extracción de testigos de rocas) va rompiendo el terreno ya debilitado por el
mecanismo de percusión.
Este método a modo general es ideal para el trabajo en roca o
formaciones detríticas altamente cohesionadas, no así en terrenos arenosos y
arcillas blandas. Además, debido a que el lodo de circulación ha sido
reemplazado por aire comprimido, en terrenos no cohesionados necesita de
una entubación simultanea del pozo durante la perforación y tiene además el
gran problema de que las presiones producidas por la columna de agua en el
sondeo dificultan la evacuación del material de desecho, problema que se
agrava más a medida que la columna de agua es mayor.
Diagrama de funcionamiento de un sistema de perforación por Rotopercusión con
circulación directa.
Pozos perforados
Ingeniera sanitaria 1
31
Otros métodos:
Métodos basados en Tensiones inducidas Térmicamente
· Perforación de Dardo: Este sistema utiliza una llama de oxígeno y
fuel-oil que se calienta y quebranta la roca.
· Perforadoras de llama dirigida: Similar al anterior exceptuando que
se usa Ácido Nítrico en vez de Oxigeno.
· Perforación de Ciclo Térmico: Se produce el quiebre de la roca
usando ciclos periódicos de frio y calor.
· Perforación mediante Microondas: Se aplica un golpe de calor
seguido de una aplicación de microondas, lo que quiebra la roca.
Métodos basados en Tensiones inducidas Mecánicamente
· Perforación con turbina: Se utiliza una turbina de acción simple que
hace girar una rueda cortante con caras diamantadas a una
velocidad de 5.000 a 10.000 rpm en el fondo de la perforación.
· Perforación con Perdigones: Se arrojan a gran velocidad pequeñas
bolas de acero, las cuales se van recuperando junto con extraer el
material con un flujo de aire a gran presión.
· Perforación a Implosión: Este sistema produce implosiones
bombeando capsulas esféricas herméticamente cerradas al fondo de
la perforación y rompiéndolas contra la roca mediante impacto u
otros sistemas.
· Perforación con Chispas: La producción de Chispas de Alto Voltaje
produce pulsaciones de alta presión capaces de romper y perforar las
rocas.
Pozos perforados
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· Perforación electrohidráulica: Las pulsaciones de alta presión
producidas por la descarga de chispas subacuáticas producen la
rotura de las rocas.
· Perforación con Explosivos: Consiste en dejar caer capsulas
explosivas en el sondeo a razón de 3 a 12 por minuto.
· Perforadoras por Erosión: Chorros de Agua a presión muy alta
pueden perforar las rocas más duras sin utilizar abrasivos en el
chorro.
· Perforadoras ultrasónicas: Las perforadoras ultrasónicas utilizan
núcleos magneto-estrictivos o electro-estrictivos que emiten
vibraciones para perforar la roca.
Métodos mediante Fusión y Vaporización
· Perforación por Fusión Eléctrica: Se calienta la punta del trépano
penetrante mediante una resistencia eléctrica de alambre de
Tungsteno o Iridio.
· Perforación Nuclear: Mediante Fusión nuclear se producen
temperaturas capaces de fundir el material del suelo.
· Perforación con Plasma: Esta basado en la producción de llamas
ionizadas mediante generadores de plasma, que alcanzan
temperaturas del orden de 20.000 °C capaces de fundir la roca.
· Perforación Química: Se utiliza flúor y otros reactivos químicos que
producen reacciones de alta velocidad que corroen la roca.
Pozos perforados
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Recomendaciones para el uso de pozos perforados
Tapar el orificio de salida del agua del cabezal del pozo.
Bombear varias veces en posición de cada punto cardinal, norte -sur y este-
oeste, hasta que brote agua entre las uniones del cuerpo y el embolo.
Se destapa bruscamente el orificio de salida del agua, y se sigue
bombeando por un tiempo adicional.
Este procedimiento se debe realizar regularmente y también cuando se
note dificultad para bombear o disminución del caudal
Controlar fugas de agua en las tuberías de descarga y conducción.
Lavar y desinfectar el tanque de almacenamiento periódicamente.
Mantenimiento del sistema de tratamiento, si existe.
Mantener la caseta del pozo limpia y seca.
Medidas para preservar la calidad del agua
Solamente las instalaciones de bajo impacto, como una casa, áreas
recreativas, o al aire libre, deberán de localizarse a 50 pies del pozo. No
mezcle o almacene ningún material que pueda contaminar su agua de
abastecimiento a una distancia de 50 pies de su pozo. Actividades de
mediano o alto impacto solo deberán de realizarse a distancias seguras.
Los sistemas sépticos o los corrales para animales deberán de tener un
mínimo de 100 pies de distancia del pozo.
No almacene o mezcle pesticidas, fertilizantes, productos para el césped,
pinturas, productos de limpieza, gasolina, generadores de gasolina o
residuos de aceites automotrices cerca del pozo.
No se deshaga o tire materiales peligrosos (incluye algunos tipos de
limpiadores domésticos, pinturas, removedores de pinturas, residuos del
taller mecánico y pesticidas) en los sistemas sépticos – estas substancias
no son tratadas típicamente en estos sistemas, y pueden fácilmente
movilizarse a las aguas subterráneas. Disponga de todos sus materiales
Pozos perforados
Ingeniera sanitaria 1
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peligrosos en un centro de recolección designado para ello.
Los sistemas sépticos deberán de estar localizados a un mínimo de 100
pies gradiente abajo de la fuente de abastecimiento de agua potable.
Inspeccione su pozo por lo menos una vez por año, asegúrese que no
tenga grietas en la cabeza o sellado del pozo, o ningún otro tipo de
aberturas que puedan provocar una contaminación del agua. Si se presenta
algún problema, llame a un contratista con licencia del estado para que lo
repare.
Pruebas de Bombeo.
Una prueba de bombeo se realiza para evaluar un acuífero, estimulándolo por
medio de bombeo, y observando su respuesta (descenso de nivel) en pozos de
observación.
Pero el principal propósito de estos ensayos es conocer el caudal del pozo, es
decir, el caudal óptimo de explotación donde el pozo tenga un rendimiento
máximo; en cuanto a los niveles de bombeo o descenso del agua, ya sea en
invierno o verano y no afecte la eficiencia de los pozos durante la operación
definitiva del equipo sumergible a instalar. Además permite determinar la
profundidad a la que debe ser colocada la bomba.
En un pozo hay dos niveles especiales:
El nivel estático: es el nivel en que se encuentra el agua cuando no se ha
iniciado extracción de agua.
El nivel dinámico: cuando se inicia el bombeo el nivel del agua comienza a
descender según la rapidez de bombeo, hasta que después de un tiempo el
nivel se detiene; la rapidez de llenado del pozo se equilibra con la del
bombeo y esta nueva profundidad o punto es el nivel dinámico.
Existen dos tipos de pruebas de bombeo:
Prueba a caudal variable o escalonada: Se realizan varias mediciones del
nivel dinámico, cada una con una tasa de bombeo distinta (generalmente se
Pozos perforados
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35
incluyen la capacidad mínima y máxima de la bomba) y en un periodo de
tiempo determinado. Generalmente se realizan de manera ascendente.
Prueba a caudal constante: Se realiza el ensayo con una misma tasa de
bombeo durante todo el periodo de la prueba.
En los aforos se emplean bombas tipo turbina, accionadas por un motor de
combustión capaz de variar revoluciones, por lo general entre 900 r.p.m. y 2000
r.p.m. La columna debe tener la longitud necesaria para que la bomba no succione
aire al abatirse el nivel dinámico. Además de la bomba, se debe contar con un
tacómetro de contacto, una sonda, preferentemente eléctrica, con cable suficiente,
y un dispositivo de medición de caudal, que consiste, por lo general, en un tubo
con orificio calibrado y piezómetro. Para realizar el aforo, se debe seleccionar una
bomba capaz de entregar un caudal del orden del 30 % superior al esperado para
operar el pozo.
Procedimientos para realizar el ensayo de bombeo
Instalar la bomba dentro del pozo.
Medir el nivel estático tomando como referencia la parte superior del brocal
del pozo.
Medir la altura del brocal del pozo con respecto al nivel del terreno.
Medir el diámetro interno del pozo.
Calcular el volumen almacenado en el pozo con la ecuación:
Va =
( )
Donde:
Va = Volumen almacenado en el pozo
D = Diámetro interno del pozo
hp = Profundidad del pozo medido desde el brocal
hc = Nivel estático del agua en el pozo medido desde el brocal
Instalar un medidor de niveles en el pozo, procurando que la sonda quede
protegida por un tubo de PVC (12 mm).
Iniciar el bombeo a caudal constante, se debe verificar constantemente que
el caudal bombeado permanezca constante.
El caudal estimado a extraerse puede calcularse de la siguiente manera:
Pozos perforados
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Sp =
Donde:
Sp = Caudal extraído
tb = tiempo de bombeo
Se toman lecturas de variaciones de nivel a intervalos iguales durante el
tiempo de bombeo establecido (tb).
Justo al suspender el bombeo se debe iniciar las lecturas de recuperación,
las cuales se harán a intervalos iguales; definidos de tal manera de poder
obtener una curva suficientemente precisa.
Generalmente, se considera que un aforo confiable debe durar unas 72 h, aunque
en zonas o pozos bien conocidos puede reducirse a unas 48 h.
Se calcula el caudal específico utilizando la siguiente ecuación:
CE =
Donde:
CE = Caudal Especifico
= Diferencia de nivel entre el nivel estático y dinámico.
Se elabora la gráfica de aforo, donde se representa el caudal en el eje de
abscisas y los descensos en el de las ordenadas, preferentemente con
escala creciente hacia abajo a partir del nivel estático. Además, se pueden
graficar los descensos contra el tiempo para establecer la eficiencia del
pozo.
Pruebas de bombeo según normativa.
Según la NORMAS TECNICAS PARA EL DISEÑO DE ABASTECIMIENTO Y
POTABILIZACION DEL AGUA (NTON 09 003-99) del INAA:
Realizadas las investigaciones anteriores, se requiere un bombeo de prueba. Para
ello pueden utilizarse los pozos de prueba, o un pozo permanente con uno o más
pozos de observación, que estarán a 4 ó 5 metros de distancia de la perforación
Pozos perforados
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principal y tendrán diámetro mínimo de 100 mm (4”).
La duración mínima del bombeo de prueba será de 48 horas. Durante este
bombeo se obtendrá la siguiente información:
Nivel estático inicial en cada pozo.
Caudal del bombeo, por lo menos cada hora.
Nivel del agua cada minuto los primeros 5 minutos, cada 5 minutos los
siguientes 30 minutos, cada 10 minutos los siguientes 30 minutos y cada
media hora el tiempo restante.
Inmediatamente que se paren los equipos de la prueba de bombeo se medirán los
niveles de recuperación del acuífero hasta su recuperación total con un mínimo de
8 horas de medición a como sigue: los primeros 10 minutos cada 1 minuto, los
segundos 20 minutos cada 5 minutos, los siguientes 30 minutos cada 10 minutos,
los siguientes a cada 30 minutos.
Se tomarán por lo menos 2 muestras del agua bombeada durante la prueba a la
mitad del tiempo de prueba y al final de ésta. En caso de que haya o pueda haber
variación significativa en la calidad del agua, las muestras se tomarán a intervalos
menores suficientes para indicar dichas variaciones.
Si la capacidad del acuífero es incierta, se deben registrar los niveles del agua en
los pozos de observación, con una exactitud de 10 centímetros.
Localización de los pozos.
Los datos de la prueba de bombeo se utilizarán para evaluar la interferencia entre
los pozos. La depresión del cono de influencia en un sitio dado (como resultado
del bombeo simultáneo de varios pozos), es igual a la suma de las depresiones
producidas en el mismo sitio para el bombeo individual de los pozos.
La localización final de los pozos se determinará teniendo en cuenta los factores
siguientes:
- Potencia adicional y aumento de los costos de bombeo por interferencia de
pozos que estén cerca uno del otro.
- Aumento en los costos de tubería y líneas de transmisión eléctrica cuando los
pozos se localicen muy retirados uno de otro.
La tabla siguiente puede ser utilizada para fijar preliminarmente las distancias
mínimas entre pozos:
Pozos perforados
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Interpretación de los resultados.
Como resultado del ensayo se pueden obtener tres conclusiones:
Con el máximo de revoluciones el nivel dinámico apenas se desplaza, lo
que indica que la bomba es insuficiente para el pozo en cuestión y la
prueba definitiva no debe realizarse, hasta que se cambie la bomba por otra
de mayor capacidad.
Se logra abatir el pozo varios metros; significa que la bomba es adecuada.
El nivel dinámico alcanza la succión de la bomba, lo que se manifiesta en
un flujo de agua interrumpido por la expulsión de bocanadas de aire
mezclado con agua; significa que el pozo no es capaz de abastecer a la
bomba, al menos en ese nivel, o que a ésta le falta más longitud de
columna.
La gráfica de aforo puede presentar tres formas básicas y una cuarta que es la
superposición de dos de las básicas:
La gráfica tiene forma curva con la concavidad hacia abajo. En principio, la
bomba es adecuada a las características del pozo, a reserva de que se
haya llegado al caudal óptimo de explotación.
La gráfica tiene forma recta. En principio, la bomba es de poco caudal con
respecto a las características del pozo e incapaz de realizar el aforo. El
único dato útil que se deduce de la prueba, es que el pozo en cuestión es
capaz de proporcionar mayor caudal que el máximo obtenido en el bombeo.
La gráfica tiene forma curva con la concavidad hacia arriba. Durante el
bombeo el pozo continúa con el proceso de desarrollo y están mejorando
sus características hidráulicas. Se debe suspender el aforo y reanudar el
proceso de desarrollo, reiniciándolo cuando se tenga la certeza de que esta
operación se ha realizado correctamente.
Durante un tiempo, la gráfica presenta la concavidad hacia abajo y a partir
de cierto momento se invierte hacia arriba. Esta condición implica que el
Pozos perforados
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aforo se había llevado normalmente hasta un momento en que se tomó en
un proceso de desarrollo del pozo. Como en el caso anterior, se debe
suspender el aforo y completar el desarrollo.
Pozos perforados
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Ventajas y desventajas de la utilización de los pozos
perforados.
Ventajas de los pozos perforados.
Según estimaciones, el 95% o más del agua dulce utilizable se encuentra
bajo la superficie del terreno.
Es el único recurso disponible en zonas desérticas.
Hay menores pérdidas por evaporación.
Hay menor exposición a la contaminación.
Su disponibilidad es menos afectada por las variaciones climáticas.
No hay pérdida de la capacidad de almacenamiento.
La temperatura del agua es constante.
Su composición química es casi constante.
No tiene turbiedad ni color.
La filtración natural del agua hace menos costoso su tratamiento y
potabilización.
Un acuífero puede tener una gran extensión por lo que se puede realizar la
captación lo más cerca posible a la zona de demanda; ahorrando en costos
de infraestructura para la conducción del suministro de agua.
Desventajas de los pozos perforados.
No es visible, por lo tanto se dificulta su estudio, cuantificación, explotación
racional y manejo.
En muchas regiones las rocas no contienen suficiente porosidad o
permeabilidad para proporcionar la cantidad de agua requerida.
En algunas zonas tiene mayor contenido de sólidos disueltos que el agua
superficial en la misma región.
La perforación puede resultar un método muy costoso dependiendo de las
características del suelo y la profundidad del pozo.
Pozos perforados
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Criterios de Diseño
El diseño de los pozos tubulares o tajo abierto están sustentadas en el
conocimiento de las características hidrodinámicas del acuífero sobre el cual se
construirá un pozo que permita prever de agua en términos económicamente
rentables. Por consiguiente la decisión de perforar un pozo estará sujeto a los
resultados obtenido en el estudio hidrogeológico, prueba de pozo, análisis de las
características del material encontrado durante la perforación, análisis de la
calidad de agua y finalmente el caudal máximo permisible a explotarse mediante el
pozo sin que altere la condiciones medioambientales del acuífero y de su entorno.
3
20– 25 años: Fáciles de ampliar cuando el crecimiento y las
tasas de interés son bajas, menor del 3% anual.
10 – 15 años: Cuando las tasas de crecimiento e interés son altas,
mayor del 3% anual.
Profundidad del Pozo
La profundidad que se espera darle al pozo se determina por lo general mediante
el registro de pozo de prueba, de los registros de otros pozos cercanos en el mimo
acuífero o durante la perforación del pozo, por lo general el pozo se determina en
el fondo del acuífero. Esto es de desear por las razones siguientes:
Se utilizan mayor espesor del acuífero como intervalo de captación del pozo lo que
mejora su capacidad específica.
Puede obtenerse mayor abatimiento disponible, permitiendo al pozo erogar más
caudal.
Una excepción a estas reglas serian:
Cuando se sitúa la rejilla centrándola entre las partes superiores e inferiores del
acuífero, práctica que a veces se sigue para lograr un uso más eficiente de una
cierta longitud de rejilla en un acuífero artesiano uniforme.
Cuando se encuentra agua de mala calidad en la parte inferior del acuífero, en tal
caso el pozo deberá de completarse hasta una profundidad de excluya esa agua y
obtener así la mejor calidad que se encuentre disponible.
Pozos perforados
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Diámetro del pozo
El diámetro del pozo debe de escogerse de modo que satisfaga los siguientes
requisitos:
El ademe debe de ser lo suficientemente amplio para que permita acomodar la
bomba con la tolerancia adecuada para su instalación y funcionamiento.
El diámetro del intervalo de captación del pozo debe ser tal que garanticen una
buena eficiencia hidráulica del mismo. Al escogerse el diámetro del pozo el factor
que gobierna es el tamaño de la bomba que va a necesitarse para la descarga
deseada o potencial del pozo. Es decir que el gasto necesario del pozo y su
capacidad específica más un cierto margen de seguridad por menor eficiencia del
pozo, eventuales interferencias, o bombeo continuo, definen la máxima profundidad
de la bomba a instalar.
El diámetro de ademe deberá ser dos números mayor que el diámetro nominal de
la bomba, y bajo ninguna circunstancia deberá escoger un diámetro menor de por
lo menos un número más grande que los tazones de la bomba. En la tabla
siguiente se muestran los tamaños de ademe que se recomiendan
Si el ademe de la tabla se escoge de acuerdo a la tabla anterior, existirá una luz
adecuada para la instalación de la turbina vertical; el eje de la misma constituirá la
Rendimiento del pozo
Previsto
(l/s)
Diámetro
Nominal de la
bomba
(")
Diámetro
óptimo de
la entubación
(")
Diámetro
mínimo de
la
entubación
(")
Menos de 6
5 a 11
10 a 25
22 a 41
40 a 57
53 a 82
75 a 114
100 a 190
4
5
6
8
10
12
14
16
6 DI
8 DI
10 DI
12 DI
14 DI
16 DI
20 DI
24 DI
5 DI
6 DI
8 DI
10 DI
12 DI
14 DE
16 DE
20 DE
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plomada y no se forzara la bomba, aunque el ademe se halle ligeramente fuera
de la línea y no exactamente a plomo. Esta luz o tolerancia es plenamente
adecuada para bombas sumergibles. Asimismo, si la bomba se emplaza por
debajo de alguna sección enrejillada, habrá suficiente área alrededor de los
tazones como para permitir que el agua pase hacia abajo hasta la captación de la
bomba como un mínimo de la perdida.
Longitud, diámetro y material de Rejilla.
La rejilla es un elemento de importancia en el diseño de un pozo sus
características guardan una estrecha relación con los parámetros hidráulicos del
acuífero.
En los pozos que captan agua de acuíferos no consolidados se requiere un filtro
de características variables a determinar que satisfaga los requerimientos de: i)
sirva como estructura soporte de la formación acuífera; ii) impida el paso de arena;
iii) permita la circulación del agua hacia el pozo a baja velocidad y con la máxima
capacidad específica.
En los acuíferos consolidados, rocosos, el pozo perforado deja caras libres a las
grietas, por donde fluye el agua; no se requiere estructura filtrante.
Longitud de la Rejilla
La longitud óptima de rejilla debe de escogerse con relación al espesor de
acuífero, abatimiento disponible y estratigrafía de la formación. Las reglas que
siguen se pueden aplicar a cuatro situaciones:
Acuíferos artesianos homogéneos: En este tipo de acuíferos, deberá
enrejillados de un 70 a un 80 por ciento del espesor del material acuífero,
suponiendo que el nivel del agua no descienda por debajo del techo de este.
Si el acuífero tiene menos de unos 8 metros de espesor, es suficiente con
enrejillar el 70 por ciento.
Si su espesor se halla comprendido entre 8 y 15 metros, deberá colocarse rejilla
en un 75 por ciento de este.
Si es mayor de 15 metros deberá de enrejillarse no menos del 80 por ciento.
Las longitudes de rejillas indicadas harán posibles captar alrededor del 90 por
ciento o más de la máxima capacidad específica que se podría obtener al
Pozos perforados
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enrrejillar todo el acuífero.
Acuíferos artesianos heterogéneos: en este tipo de formación acuífera lo mejor
es enrejillar el estrato más permeable.
La definición del estrato más permeable puede definirse con algunas de las
siguientes pruebas:
Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representan los
estratos respectivos de la formación acuífera.
Se realizan análisis granulométricos de aquellas muestras que representan los
correspondientes estratos de la formación, mediante una comparación de las
curvas granulométricas, se deducen la permeabilidad relativa de cada muestra.
Se hacen luego una inspección visual y una comparación, de los materiales que
representan cada estrato. La permeabilidad relativa de cada uno se estima
mediante una apreciación de la bastedad limpieza (ausencia de limo y arcilla) del
material.
Acuíferos freáticos homogéneos: tanto la teoría como la experiencia han
demostrado que al enrejillar el tercio inferior del acuífero se obtiene el mejor
diseño para esta condición, sin embargo se pueden enrejillar la mitad inferior del
acuífero para obtener una mayor capacidad especifica.
En los pozos de nivel freático, la selección de rejillas presenta una alternativa con
dos factores:
Se obtienen la mayor capacidad específica cuando se usan la mayor longitud de
tubería posible.
Se obtiene mayor abatimiento disponible si se utilizan la menor longitud posible de
rejilla.
Características de la rejilla
Un filtro o rejilla se define por las siguientes características técnicas:
Material de fabricación del tubo
Dimensiones del tubo:
Diámetro
Pozos perforados
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Longitud
Abertura de la rejilla
Área libre
Tipo de abertura
Tamaño de abertura
Pre filtro de grava
Diámetros de las rejillas:
El diámetro de la rejilla se escoge de manera que se cumpla el principio básico de
proveer suficiente área de entrada para que la velocidad de acceso del agua al
pozo no exceda de un cierto valor estipulado. Por pruebas de laboratorios y por
pruebas de campo se ha determinado que si la velocidad de entrada a través de la
rejilla es menor o igual a 3 cm/seg, se obtendrán los siguientes resultados:
La pérdida por fricción en las aberturas será de un valor despreciable
La velocidad de incrustación será mínima
La velocidad de corrosión será también mínima
La velocidad se calcula dividiendo la descarga deseada o que se espera obtener
por el área total abierta de las ranuras de la rejilla. Si la cifra que se obtiene es
mayor que 3 cm/s, se deberá aumentar el diámetro de la rejilla de modo que se
provea suficiente área abierta y la velocidad se aproxime a lo indicado.
Si la velocidad calculada de esa manera es menor, (1.5 cm/s), se podrá entonces
reducir el diámetro de la rejilla en cierta proporción. Se tiene que garantizar que el
diámetro de la rejilla sea tan grande como se pueda, para mantener el valor de la
velocidad de entrada por debajo del valor límite de 3 cm/s.
Se supone que la bomba se colocará sobre la rejilla y que las pérdidas de carga
relacionadas con el flujo vertical ascendente del agua a través de la rejilla son
pequeñas.
La mayor parte de los fabricantes de las rejillas suministran tablas que indican el
área abierta por metro de cada tamaño de ésta y para diversos anchos de ranuras.
En el anexo 7.2 se muestran los ejemplos para cada ancho de rejilla.
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Material de la Rejilla
El material de la rejilla debe ser seleccionado según:
Contenido mineral del agua.
Presencia de jaleas bacterianas.
Requisitos de resistencia de la rejilla.
Mediante análisis de químicos del agua se puede determinar si el agua es
corrosiva o incrustante.
El agua corrosiva causa la corrosión de la rejilla y esta a su vez, falla o deterioro
del pozo, invasión de una excesiva cantidad de arena en el pozo. Por lo anterior
se hace necesario utilizar un material que evite la corrosión.
El agua incrustante ostenta estas características por la tendencia a depositar
minerales en la superficie de la rejilla y en los poros de la formación cercana a
estas. Tales disposiciones obstruyen las aberturas de las rejillas.
El agua corrosiva puede estar determinada por los siguientes índices:
Valor bajo de pH. Si este es menor que 7 el agua es ácida y existen condiciones
de corrosividad.
Oxígeno disuelto. Si este excede de 2 ppm, el agua es corrosiva. El oxígeno
disuelto se encuentra de preferencia en los pozos freáticos someros.
Sulfuro de hidrógeno. Su presencia puede establecerse por su olor característico
a huevo podrido. Concentraciones de 1 ppm pueden causar corrosión severa.
Sólidos disueltos totales. Si el contenido mineral disuelto excede de 1000 ppm la
conductividad eléctrica del agua es suficientemente alta como para causar
corrosión electrolítica. Para evitar esto utilizar rejillas de un solo metal.
Dióxido de carbono. Si la presencia de este gas excede de 50 ppm, el agua es
corrosiva.
Cloruros. Si el contenido sobrepasa de 50 ppm, el agua es corrosiva.
Agua incrustante. El agua con esta característica tiene tendencia a depositar
minerales en la superficie de la rejilla y en los poros de las formaciones cercanos a
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ellos. Se obstruyen las formaciones de la rejilla.
El agua incrustante puede estar determinada por los siguientes índices:
Alto valor de pH, por encima de 7.5.
Dureza de carbonatos, si excede de 300 ppm se formaran costras de cal.
Hierro. Si su contenido sobrepasa las 2.0 ppm
Las rejillas de pozos con agua de estas características deben ser construidas con
metales resistentes que soportan la acción corrosiva. Los materiales más
comunes son Everdur y acero inoxidable 304.
La bacteria denominada bacteria ferruginosa, presente en algunas aguas, es un
organismo molesto que causa obstrucción de los poros de la formación acuífera y
de las aberturas de una rejilla.
Estas bacterias produce material pegajoso de consistencia viscosa causando
oxidación y precipitación de hierro disuelto y manganeso. Debido al efecto
combinado de la proliferación de los microorganismos y minerales precipitados en
un corto tiempo se produce la obstrucción casi completa del pozo. ( ver anexo
No.7.3 metales de las rejillas de pozos y sus aplicaciones)
Filtro de Grava
Los filtros de grava y su diseño dependen de las condiciones geológicas que
existen en la formación inmediata al pozo, y el propósito del mismo es retener todo
el material de la formación.
Se deberán diseñar los espesores, basados en el análisis granulométrico de los
materiales más finos que componen el acuífero, y se deberán construir todas las
curvas granulométricas de todos los estratos que componen el acuífero.
Debe multiplicarse el tamaño de arena correspondiente al 70% de retención, por
un factor que va desde 4 hasta 6, usando un factor de 4 como multiplicador si la
formación es fina y uniforme, usando 6 si esta es más gruesa y no uniforme.
El límite máximo para el espesor del filtro de grava debe ser como máximo 20
cms.
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Ubicación y longitud del filtro (rejilla)
La ubicación y longitud óptima del filtro o rejilla se decide en relación con el
espesor del acuífero, abatimiento estimado y estratificación del acuífero. En
Cuadro No.8-4 y Fig No. 8-1, se esquematizan las reglas aconsejables.
En un acuífero libre se obtiene el mayor rendimiento y la instalación más
económica de un filtro para el tercio inferior del acuífero.
En acuíferos heterogéneos, confinados o libres, cuando el estrato menos
permeable está superpuesto al más permeable, conviene prolongar el filtro de
menor abertura dentro del acuífero más permeable para evitar producción de
arena por corrimiento del estrato de menor granulometría.
En acuíferos confinados homogéneos de poco espesor se puede ubicar un filtro en
forma centrada que cubra el 50 al 80 % del espesor del acuífero para este caso se
obtiene el mayor rendimiento hidráulico y económico.
En acuíferos de mayor espesor se requiere mayor porcentaje de penetración. Si la
longitud del filtro no cubre todo el espesor del acuífero se aconseja distribuirlo en
la forma indicada en la Tabla, para obtener el máximo de capacidad específica del
pozo.
Ubicación del Filtro en distintos Tipos de Acuífero
Tipos de Acuíferos
Porcentaje de filtro del
espesor del acuífero
Ubicación del filtro en el
acuífero
Distribución del filtro en
la columna
No confinado o libre,
homogéneo
33 %
Tercio inferior del acuífero
Un solo tramo, aberturas
uniformes
No confinado o libre, no
homogéneo
33 - 50 %
Sector inferior del estrato
más permeable
Un solo tramo. Distintas
aberturas según
granulometría de los
estratos
Confinado artesiano,
homogéneo
Centro del
Columna continua en el
centro del acuífero
50 - 80 % menor
porcentaje en espesores
de 4 a 8 m; mayor
porcentaje
acuífero
Columna discontinua en
todo el espesor del
acuífero
Confinado artesiano, no
homogéneo
en espesores mayores de
20 m
Centro del estrato
Permeable
Continuo o discontinuo;
ídem acuífero homogéneo
Distintas aberturas según
granulometría de acuífero
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Diseño de la Rejilla o filtro
Comprende la selección de longitud, diámetro, tamaño de abertura y
consideraciones acerca del metal a utilizar.
La longitud de la rejilla es determinada por el espesor del acuífero, estratificación y
posible descenso dinámico del nivel del agua. En principio la rejilla debe tener el
mayor largo posible. En acuíferos libres homogéneo de gran espesor la longitud de
la rejilla será de 1/2 a 1/3 del espesor, colocada a partir de la base impermeable.
En acuíferos homogéneos confinados la longitud de la rejilla debe ser del 70% al
80% del espesor del acuífero colocándose en posición centrada. En acuífero
estratificado la rejilla estará colocada frente a los estratos más permeables. La
longitud óptima de la rejilla se estima según:
Q = caudal en m3/s
Vp = velocidad óptima de entrada m/s
Ao = área abierta en m2/m de longitud de rejilla
Según Johnson la vp = 3 cm/s. Walton establece el criterio de velocidad óptima
permisible según la permeabilidad, el área abierta efectiva la considera como 50%
del área abierta: Ao = 0.5; donde A el área abierta que proporcionan los
fabricantes.
Velocidades óptimas de Paso de Agua por la Rejilla
K (m/día)
V (cm/s)
>240 60
240 5.5
200 5.0
160 4.5
120 4.0
100 3.5
VA
Q=L
p0
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50
80 3.0
60 2.5
40 2.0
20 1.5
< 20 1.0
K (mm/día) Permeabilidad del Acuífero;
V (cm/s) Velocidad Optima de Entrada de agua por las aberturas de la rejilla.
El diámetro del filtro puede ser seleccionado para satisfacer un diseño en principio
a fin de proveer un área abierta suficiente que mantenga una velocidad de entrada
deseada a través del filtro.
Tamaño de abertura de la rejilla
En pozos con desarrollo natural el tamaño de la abertura del filtro (slot) está
basado en la curva de distribución de tamaño de diámetro. El diseño de la
abertura de filtro en pozos con paquete de grava filtrante se hace concordante con
la granulometría mínima del prefiltro.
Acuíferos de grano uniforme, 3 < Cu 6
Si hay posibilidad de derrumbe del material utilizar como tamaño de abertura D40.
En caso de no haber posibilidad de derrumbe utilizar D60.
Acuíferos de grano no uniforme Cu > 6
Con posibilidad de derrumbe utilizar D50
Sin posibilidad de derrumbe utilizar D70
Acuíferos estratificados
Si D50 material grueso 4 D50 material fino, sacar el cálculo para el material más
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fino y poner una sola rejilla.
Si no se cumple condición anterior diseñar una rejilla para cada estrato del cual se
desea sacar agua.
Procedimientos de Diseños
Búsqueda y análisis de Información para la determinación de la capacidad y
calidad del acuífero
Para el diseño de Pozos profundos se debe contar con la siguiente información
Geológica y estratigráfica.
Tipo de formaciones geológicas presentes en el área de investigación
Características físicas de los acuíferos (magnitud, espesor, límites, permeabilidad,
rendimiento específico, permeabilidad de los acuíferos adjuntos, coeficiente de
almacenamiento, etc).
Hidrológico: Nivel piezométrico para el cual es necesario conocer la profundidad y
los cambios de altura de las capas freáticas.
Precipitación anual, escorrentía y posibles recargas al sub-suelo, pérdidas por
evaporación, transpiración y descargas de aguas subterráneas.
Calidad del agua: Características minerales del agua de cada acuífero.
Investigaciones y trabajo de campo
Para Obtener la información mencionada se deben realizar las siguientes
investigaciones:
Investigación Geológica
Para evaluar la fuente se utiliza la información geológica disponible, (en
Nicaragua normalmente INETER administra dicha información) conjuntamente con
la información geológica que se obtiene en el reconocimiento de campo. Tales
informaciones son interpretadas por un experto en el campo de la hidrogeología
quien define de esta forma las formaciones existentes y las características de los
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acuíferos.
Inventario de Pozos.
Se debe hacer una investigación de los pozos que existan en la zona, de
fotografías aéreas y planos geológicos para hacer un avalúo tentativo, a fin de
determinar las condiciones de los acuíferos utilizables. Los planos de suelos y
fuentes superficiales que hayan sido preparados en base a las fotografías aéreas,
pueden ser utilizados para localizar acuíferos poco profundos.
Otro tipo de Investigaciones
En caso de que las investigaciones anteriores resulten insuficientes para
determinar la presencia y características de un acuífero se podrá realizar también
cualquier de las siguientes investigaciones:
Dimensionamiento o Diseño Preliminar
Una vez definida las características del acuífero y conocida la capacidad de
bomba requerida se podrá proceder al cálculo del diámetro del pozo, longitud de la
tubería ciega y ranurada, selección del tipo, diámetro y material de las rejillas y el
dimensionamiento del filtro de grava de acuerdo a los criterios de diseño
mencionados.
Se debe mencionar sin embargo que el dimensionamiento final de estos
elementos se definirá al momento de la perforación, la cual incluirá el registro de
los materiales litológicos a partir de los cuales se establecerá las longitudes de
tubería y demás criterios.
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Bibliografia
1. Arocha, Simón. Abastecimiento de agua potable (1979)
2. Normas técnicas para el diseño de abastecimiento y potabilización del agua (NTON 09 003-99)
3. http://es.wikipedia.org/wiki/Prueba_de_bombeo
4. http://www.nuevasesperanzas.org/documents/05%20Technical%20reports/
San%20Marcos%20hydrogeological%20study%202009%20ESP.pdf
5. https://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20110211190222AA263
KR
6. http://www.slideshare.net/MIA-CIEMA/abastecimiento-de-agua-pozos-
perforados
7. https://ar.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080818222334AAmzyt
Z
8. http://archivo.presidencia.gub.uy/decretos/2004031103.htm
9. ftp://ftp.conagua.gob.mx/Mapas/libros%20pdf%202007/Rehabilitaci%F3n%2
0de%20Pozos.pdf