domingo, 24 de noviembre de 2013

UNA NUEVA APLICACION PARA LOS SONDEOS DE INFILTRACION Y RECARGA



RESUMEN
Se da el caso de que, muchas veces, las balsas de abastecimiento de agua (para consumo urbano o para regadío) están construidas, o se van a construir, en lugares donde, en caso necesario, la evacuación de aguas almacenadas será muy difícil o simplemente imposible, bien por falta de drenajes superficiales o bien por la presencia de infraestructuras que lo impidan. Hasta el momento el problema se viene resolviendo mediante el sistema de construir los aliviaderos de las balsas y ponerle un cirio a San Cristóbal para que no pasase nada. El problema es que pasa, y más frecuentemente de lo que pensamos, hasta el momento la suerte ha propiciado que solo se hayan ocasionado daños materiales y no hay habido que lamentar victimas humanas.
A continuación expondremos la solución que se ha adoptado para el caso concreto de una balsa de riego situada en la ladera de una cuenca endorreica, sin drenaje natural y en la que cualquier desbordamiento hubiera supuesto la inundación de una zona intensamente cultivada.    
ABSTRACT
For that , many times, water rafts ( for urban consumption or irrigation) are constructed is given, or will be built in places where , if necessary , evacuation of stored water will be very difficult or simply impossible, either for lack of surface or by the presence of infrastructures that impede drainage. So far the problem has been solved by the system of spillways build rafts and put a candle to Saint Ceristobal to nothing happened. The problem is that it happens, and more often than we think, so far luck has meant that only have caused property damage and there been no human casualties.
Then we will discuss the solution that has been adopted for the case of irrigation pond located on the side of a closed basin with no natural drainage and that any overflow would have meant the flooding of an intensely cultivated area.
ANTECEDENTES:
Un problema de este tipo se le planteó a la Comunidad de Regantes de El Tarragó de Losa del Obispo (Valencia). Esta CC.RR. riega un total de 1.906 Ha mediante un sistema de cuatro balsas conectadas entre si. El agua se toma directamente del Canal de Benageber en la Toma 6 (sifón de Hoya Gurrea). 

Figura nº 1: Canal de alimentación de la Balsa de San Marcelino
Parte del agua va al Sifón de San Marcelino y a la balsa del mismo nombre (figura nº 1) y parte sigue por el Canal Secundario VI. Desde la Balsa de San Marcelino se abastece, por gravedad, a la Balsa de Cerro Gordo y se bombea agua a las balsas de Portichuelo y del Campo
El sistema de bombeo instalado en la Balsa de San Marcelino consta de 6 bombas de 169 l/sg cada una, por lo que se pueden bombear caudales de 1.000 litros/segundo.  


 

La Balsa del Campo es la última y la situada a cota más elevada. La balsa tiene una capacidad de 80.500 m3 ocupando una superficie cuadrangular de 1.400 ha. En caso de rotura o avería el agua embalsada o el caudal instantáneo que le llega a la balsa circularía, ladera abajo, por los campos adyacentes a la misma, hasta llegar al cauce de la Rambla de Caracierzo por donde se encauzaría hasta alcanzar el paraje de Torralba donde este cauce termina y donde se embalsaría, por falta de drenaje natural, inundando toda una zona intensamente cultivada (ver figura nº 2). 

 
Figura nº 2: Imagen en 3D (Google maps) de la cuenca endorreica de la Rambla Caracierzo.
ACTUACION PLANTEADA:
La Balsa del Campo, al situarse en una cuenca endorreica sin salida natural (Rambla de Caracierzo), tal como se puede apreciar en los mapas GIS de la figura nº 3, tiene nulas posibilidades de evacuación de las aguas embalsadas. Por esta causa se pensó que una posible solución seria proceder a infiltrar las aguas aliviadas mediante la construcción de un pozo que permitiera alcanzar una profundidad donde fuera posible realizar la infiltración, pues directamente en superficie es irrealizable dada la naturaleza prácticamente impermeable de los terrenos y el grado de transformación y aprovechamiento de los mismos.

Figura nº 3: Modelo digital de elevaciones de la cuenca de la Rambla de Caracierzo
Para ver si esta infiltración era viable se realizo el correspondiente Estudio Hidrogeológico, estudio que determino que había posibilidades de alcanzar niveles permeables no saturados a una profundidad razonable (+-100 metros), proyectándose la perforación de un sondeo de gran diámetro que permitiera la evacuación mediante infiltración por gravedad de una gran cantidad de agua (+-1.000 l/sg).

HIDROGEOLOGIA:
El sondeo tenia que situarse necesariamente sobre la base de la Balsa del Campo, por lo que su situación y las condiciones hidrogeológicas están condicionadas a esa posición.

Figura nº 4: Mapa geológico de la zona (Hoja nº 695 del MAGNA)
Figura nº 5: Columna litoestratigráfica
 El sondeo esta emboquillado sobre la terrenos de edad Kimmeridgiense-Portlandiense (Js232) (Jurásico Superior) de la Formación Villar del Arzobispo y durante los 203 metros de la perforación no ha alcanzado el muro de la misma, por lo que en su totalidad discurre a través de esta formación, que esta constituida fundamentalmente por calizas, areniscas y margas (ver figura nº 4 y 5) en facies Purbeck, sin llegar a alcanzar las calizas blancas masivas de la Formación Calizas de Oncolitos de Higueruelas del Kimmeridgiense medio.



 
Figura nº 6: Composición fotográfica con distintos afloramientos de margas, areniscas y calizas en facies Purberck
Según los resultados de la investigación realizada, en el año 2.006, con la perforación del sondeo de testigo continuo “Arnachos 2 (ver croquis del sondeo en la figura nº 8), el Portlandiense presenta un espesor de 190 metros y esta compuesto por margas grises y negras, areniscas y calizas arenosas/ calcarenitas y calizas fosilíferas. El Kimmeridgiense Superior presenta un espesor de 130 metros de calizas micríticas beis y blancas con margas calcáreas a techo y de edad Kimmeridgiense Medio se han atravesado 180 metros de calizas micríticas grises con margas calcáreas a techo. En la siguiente figura se pueden ver una selección de testigos representativos de las distintas litologías atravesadas durante la perforación del sondeo:

Figura nº 7: Testigos del sondeo de investigación "Arnachos 2"
En este sondeo de investigación el nivel piezométrico de localizo a 93 metros de profundidad con una cota de 287 m.s.n.m.
Figura nº 8: Croquis del sondeo de investigación "Arnachos 2"

Con anterioridad (1.976) en la misma parcela se había realizado, por el IRYDA, el sondeo “Arnachos 1 con los resultados que se detallan en el siguiente croquis:

Figura nº 9: Croquis del sondeo "Arnachos 1"
Figura nº 10: Ensayo de bombeo del pozo "Arnachos 1"
 Este sondeo fue aforado durante la campaña de sequía de 1995 (ver grafico de la figura nº 10) con un nivel piezométrico situado a 60 metros de profundidad (320 m.s.n.m.). Durante el bombeo nunca llego a estabilizar (ver siguiente figura) y la recuperación fue buena pero sin llegar al origen por lo que se desestimo su instalación al considerarse que se trataba de un acuífero limitado, sin reservas. Las características hidrogeológicas del acuífero resultaron muy buenas con una transmisividad de 1.350 m2/día, siendo el agua de facies mixta cloruradas o sulfatadas / cálcicas o magnésicas (ver figuras nºs 14 y 15).

Como parte del Estudio Hidrogeológico de la zona se realizo un inventario de puntos de agua existentes en la zona y que se resumen en la siguiente tabla y en el mapa geográfico de la figura nº 11 y en la composición fotográfica de la figura nº 12: 
 
SONDEO
X
Y
Z
ORGANISMO
DESTINO
Arnachos 1
685455
4391972
380
IRYDA
Riego
Arnachos 2
685445
4392002
380
CAPA
Investigación
Villar 3
689683
4391694
340
IRYDA
Sequía
Cerro Gordo
688360
4392620
370
Diputación
Abastecimiento

Figura nº 11: Mapa de situación de los sondeos inventariados.
Figura nº 12: Composición fotografica de los sondeos existentes en la zona
Tanto los sondeos inventariados como el nuevo sondeo de infiltración, están ubicados en la masa de agua subterránea 080.132 (LAS SERRANIAS) según la denominación de la C.H.J. o en la Unidad Hidrogeológica 08.22 (LIRIA – CASINOS) en su limite con la 08.18 (LAS SERRANIAS) según la nomenclatura del IGME, tal como se puede ver en el mapa hidrogeológico del SIAS en la figura nº 13.

Figura nº 13: Mapa Hidrogeológico según SIAS.
 El acuífero captado en los sondeos Arnachos se localiza en niveles permeables por fisuración y/o carstificación desarrollados en tramos carbonatados y/o areniscosos del Portlandiense (Formación Villar del Arzobispo) y el nivel piezometrico esta situado a una cota de 285/300 m.s.n.m., colgado sobre el nivel piezométrico regional del Acuífero Liria – Casinos que esta situado en la zona sobre los 200 m.s.n.m. tal como se puede comprobar en los sondeos “Cerro Gordo” y “Villar 3” que captan niveles permeables desarrollados en las calizas el Kimmeridgiense - Dogger



Las aguas de los sondeos que captan el Portlandiense son muy diferentes de las aguas que captan los sondeos del Kimmeridgiense – Dogger, tal como se puede apreciar en el siguiente cuadro y en los gráficos de Pipper y de Stiff de la siguiente pagina.
SONDEO
C.E.
Cl-
SO4=
CO3H-
Na+
Ca++
Mg++
K+
Arnachos
2.021,93
360,9
425,3
677,3
200,4
148,3
182.4
8,7
Villar 3
1.644,91
609.7
117.1
352.7
93,5
341,5
72,5
3,2

Figura nº 14: Diagrama de Pipper  con las muestras de agua de los dos acuiferos.
Figura nº 15: Diagrama de Stiff de las mismas muestras.
SONDEO DE INFILTRACION:

Figura Nº 16: Ortofoto con la situacion del sondeo
 Con estos datos se considero factible la perforación de un sondeo de infiltración para el drenaje de la Balsa del Campo. La perforación se realizo en la parte más baja de la parcela donde se sitúa la balsa (ver figura nº 16), en el punto de coordenadas UTM ETRS89:

X = 685744
Y = 4391256
Z = 430 m.s.n.m










CARACTERISTICAS TECNICAS DEL SONDEO:

El sondeo se emboquillo sobre los mismos materiales del Portlandiense en facies Purbeck descritos anteriormente (Formación Villar del Arzobispo). Sus características técnicas se pueden ver en el croquis de la siguiente figura, en la que se detalla la columna litológica atravesada: básicamente se trata de calizas y calizas arenosas de tonos gris oscuro con niveles de margas grises o rojas. Se han atravesado varias zonas donde el agua de la perforación se ha perdido completamente, es decir se trata de zonas de alta permeabilidad y probablemente bastante fracturadas y fisuradas similares a las encontradas en el sondeo “Arnachos 1. Estos niveles se han localizado en los metros 25, 65 y 107 de profundidad.
Figura nº 17: Croquis del sondeo de infiltración "Balsa del Campo"
ENSAYOS DE infiltración.
Una vez terminado el sondeo se ha procedido a la realización de unos ensayos de infiltración con el que poder estimar los parámetros de permeabilidad, transmisividad etc. del acuífero y de la formación que atraviesa el sondeo, y sobre la que se va a inyectar el agua de la balsa.
Figura nº 18:Conexión del aliviadero de la balsa con el sondeo de infiltración.
El ensayo de infiltración realizado se denomina “Ensayo de Lefranc”, en su modalidad de carga variable. Los fundamentos del método se basan en la introducción de un caudal conocido en el sondeo y la observación del comportamiento del nivel piezométrico en el tiempo.
Se han realizado dos ensayos consecutivos dirigidos por el geólogo Don Eduardo Ruiz-Dorizzi:

Ensayo nº 1:
El nivel piezométrico antes del ensayo se situaba a 128,33 metros de profundidad y tras inyectar, por gravedad, un volumen de 10.000 litros de agua en 4 minutos y 10 segundo (Q = 40 l/sg) el nivel del agua se sitúo a 106,59 metros de profundidad. Debido a que no se ha conseguido llevar el agua hasta la boca del sondeo, lo que constituiría el modelo para el estudio realizado, solo se ha considerado como tramo estudiado los 45 metros que se han saturado.

Los valores de permeabilidad calculados en este ensayo se han estimado en dos tramos diferenciados.
1.      La permeabilidad en el 1º tramo del ensayo, cuando el descenso en los niveles es mayor (es grande la carga), es de 2,57x10-1 m/día. Este valor no es muy fiable ya que el método se debe aplicar cuando el régimen es laminar y en este caso la inyección de agua provoca un régimen turbulento. Aunque se utilizará para conseguir un valor medio de la permeabilidad.
2.      En el 2º tramo, en la curva se observa una línea recta, que supone un régimen laminar y por tanto el método es de mayor fiabilidad. En este caso la permeabilidad obtenida es 1,63x10-1 m/día
La permeabilidad media en este ensayo es de 0,21 m/día (2,1x10-1).
Ensayo Nº 2:
El nivel piezométrico antes del ensayo se situaba a 128,33 metros de profundidad y tras inyectar, por gravedad, un volumen de agua de 12.500 litros en 6 minutos y 25 segundos (Q = 32.40 l/sg) el nivel se localizó a 104,88 metros de profundidad.A partir de este punto se comienza a medir el descenso producido en este nivel, teniendo la última medida a los 12.620 segundos y situándose el nivel a los 127,23 metros de profundidad 

Los valores de permeabilidad calculados en este ensayo se han estimado en dos tramos diferenciados.
1.      La permeabilidad en el 1º tramo del ensayo, cuando el descenso en los niveles es mayor, es de 2,0x10-1 m/día. 
2.      En el 2º tramo del ensayo la permeabilidad obtenida es 5,19x10-2 m/día
La permeabilidad media en este ensayo es de 0.192 m/día (1.92x10-1).
Por tanto para la permeabilidad de este tramo de sondeo, se ha considerado la media de los dos ensayos:
Permeabilidad (K) = 0,201 m/día
 
El tramo ensayado de la formación atravesada en el sondeo, según esta escala tiene una media o baja permeabilidad. Por tanto, supondría un acuífero pobre y tiene un drenaje relativamente bajo y funcionaria como impermeable de base de los tramos permeables superiores.
Cabe reseñar que en este ensayo de infiltración no se ha conseguido llevar el nivel piezométrico hasta la cota superficial, por lo que no se ha podido ensayar toda la longitud del sondeo. Como se ha mencionado anteriormente, durante la perforación se observaron dos tramos permeables, a los 25, 65 metros y 107 metros de profundidad, que sin duda aumentarían la permeabilidad calculada.
CALCULOS DEDUCTIVOS DEL ENSAYO.
Con los datos aportados por el Ensayo de Lefranc, se puede calcular por tanto, el ascenso del nivel piezométrico para un caudal determinado. Siendo este el objetivo del ensayo, es decir saber si el sondeo puede soportar un caudal de inyección de 1.000 l/s. 
Para ello se necesita conocer:
§         La Transmisividad: se deduce de la permeabilidad y el espesor del tramo saturado ensayado. T (transmisividad) = K x b (espesor saturado)
La Transmisividad es de 9 m2/día. 
§         El Coeficiente de almacenamiento (S): es un valor adimensional y a este tipo de formaciones se le adjudica una valor aproximado de 0,2.

Los cálculos se realizan mediante la Formula de Jacob, aunque este método se aplica para los ensayos de bombeo, está admitido que el caudal que se puede inyectar en un sondeo es igual e incluso mayor al de bombeo. Así los descensos (D) serán del mismo orden que los ascensos, e incluso menores debido a la propia carga hidráulica introducida. La formulación necesaria es la siguiente:

Con los datos obtenidos anteriormente y considerando un caudal de evacuación de la balsa de 1000 l/s (caudal de entrada a la misma en caso extremo), el tiempo que tardaría en desbordarse el sondeo, y por tanto el tiempo que soportaría el sondeo ese caudal de evacuación es de aproximadamente 77 segundos.

CONSIDERACIONES DEL ESTUDIO.
Con estos cálculos realizados, se comprueba que el tiempo de funcionamiento del sondeo es mínimo, aunque este valor se puede ver incrementado o disminuido sensiblemente, por los siguientes factores que no se han considerado o que no se han podido calcular.
Factores que aumentan la eficacia del sondeo:

1.      La carga hidráulica introducida en el sondeo provoca una mayor infiltración en el acuífero, por lo que aumentaría el valor de la permeabilidad. Este valor no se puede cuantificar ya que el método solo permite realizar los cálculos cuando el régimen en el sondeo es laminar, y con una alta carga hidráulica (como al principio del ensayo) el régimen producido es turbulento.
2.      El ensayo realizado ha dado como resultado que el nivel piezométrico observado en el momento inicial (al introducir el volumen de la cuba), en ambas ocasiones se ha mantenido en una cota parecida, alrededor de los 106 metros. Esta cota coincide con uno de los puntos en los que durante la perforación se perdió el lodo del sondeo, por tanto corresponde con una zona de fracturación y de mayor permeabilidad. Al no superar el nivel esta cota, no se considera como ensayado ese tramo, aunque se deduce que aumentaría la eficacia del sondeo. 
3.      Igualmente ocurriría con los tramos en los que se perdió el lodo del sondeo, localizados aproximadamente a los 25 metros y a los 65 metros de profundidad. 
Factores que reducen la eficacia del sondeo:

1.      La propia tubería de revestimiento del sondeo (entre los 0 y los 100 metros) disminuye la permeabilidad. No se puede cuantificar porque no se ha ensayado ese tramo de sondeo, pero al encontrarse rajados gran parte de ellos, la perdida de infiltración no sería muy alta. 
2.      Otro factor que disminuye la eficacia del sondeo es el aire que se introduce conjuntamente con el agua y que reduce en cierta medida la carga hidráulica de esta agua y por tanto la infiltración.
3.      Otro de los factores a tener en cuenta es la colmatación del sondeo por la introducción de finos. Aunque puede minimizarse si el caudal pasa anteriormente por la balsa donde se decantarían.

Permeabilidad del tramo superior:
Si observamos el croquis del sondeo en el tramo comprendido entre los 0 a 115 metros, notamos que ha habido perdidas totales de lodos y muestras lo que es indicativo de un importante desarrollo de la fisuración y/o carstificación del terreno. Si a este tramo le atribuimos unas características hidrogeológicas similares a la del cercano sondeo “Arnachos 1 con una transmisividad de 1.350 m2/día, y tenemos en cuenta que para desbordar el sondeo necesitaríamos elevar el nivel piezométrico 106 metros. Con la mencionada transmisividad necesitaríamos inyectar más de 1.000 l/sg para poder hacer llegar el agua a la superficie del terreno, a la razón de 100 l/sg por cada 10 metros de elevación del nivel piezometrico.

RESULTADOS DE LA INFILTRACION:
Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto se decidió acondicionar el sondeo para su utilización como drenaje de la balsa. Para ello se procedió a realizar una buena cimentación del emboquille del sondeo y a conectarlo con el aliviadero de la balsa mediante una tubería de chapa de acero de gran diámetro. En las siguientes figuras se puede apreciar esta instalación.
La infiltración se realiza directamente por gravedad, pues el nivel piezométrico esta lo suficientemente bajo como para poder realizarlo ya que en el tramo no saturado del sondeo cabe un volumen de 175 m3, sin contar la permeabilidad del terreno.
El agua inyectada es la que circula por el Canal de Benageber de excelente calidad y completamente limpia con una C.E de 1.100 nS, un TSD de 550 ppm y un pH de 8,03 siendo de mejor calidad que el agua del acuífero que es un agua de facies clorurada – sulfatada.
Desde su acondicionamiento como sondeo de infiltración el sondeo de la Balsa del Campo ha tenido que utilizarse varias veces. La primera vez que entro en funcionamiento fue debido a una avería en el equipo de bombeo situado en la Balsa de San Marcelino, en esta ocasión las bombas estuvieron en funcionamiento toda la noche, sin que el personal de la Comunidad de Regantes llegase a darse cuenta de la avería y el sondeo de infiltración se trago los 1.000 l/sg que le alivio la balsa durante toda la noche sin llegar a desbordarse.
La última ocasión de inyección controlada fue en el mes de Septiembre en que se estuvo infiltrando un caudal de 676 l/sg procedente del funcionamiento de 4 de las bombas de la Balsa San Marcelino. Se infiltro un volumen de agua de 7.300 m3 (3 horas de bombeo continuo) que el sondeo no tuvo ningún problema para tragarse.    

Figura nº 19: Detalle del cabezal de inyeción
CONCLUSIONES:
El sondeo de infiltración de la Balsa del Campo (Chulilla) funciona correctamente permitiendo desaguar un caudal instantáneo de 1.000 l/sg y evitando inundaciones en los cultivos e infraestructuras de la zona.
El agua evacuada de la balsa, limpia y de calidad, se infiltra en una zona no saturada de un acuífero desarrollado en niveles de gran permeabilidad la Formación Villar del Arzobispo y separado del Acuífero de Liria – Casinos por niveles de margas y arcillas impermeables tal como se puede ver en los resultados de los ensayos de infiltración realizados.
El sistema de drenaje mediante sondeos de infiltración se ha revelado como muy útil y económico y no es difícil imaginar el amplio espectro de aplicaciones que puede tener, aplicaciones de las que el sondeo de infiltración de la Balsa del Campo es tan solo una muestra.


Fdo: José María Montes Villa.