domingo, 5 de junio de 2011

Introducción a la recarga artificial de acuíferos

Rafael Fernández Rubio
Catedrático Emérito de Hidrogeología
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas
Universidad Politécnica de Madrid


1             Definición y objetivos
2             Factores condicionantes
2.1             Características del agua de recarga
2.2             Características del acuífero receptor
2.3             Características hidroclimatológicas
2.4             Características ambientales del entorno
2.5             Alternativas de instalaciones de recarga
3             Dispositivos de recarga
3.1             Dispositivos superficiales
3.1.1             En cauces
3.1.2             Fuera de cauces
3.2             Dispositivos profundos
4             Depuración de aguas mediante recarga
5             Colmatación del sistema
6             Bibliografía de interés

Palabras clave:

Recarga artificial; recarga inducida; depuración de aguas; sembrar aguas.

1. Definición y objetivos

     Se denomina recarga artificial a cualquier método, o conjunto de técnicas, que permita incrementar la alimentación de un acuífero, por infiltración directa de agua  o por infiltración inducida (Figura 1), permitiendo incrementar la garantía y disponibilidad de los recursos hídricos, y/o actuar sobre su calidad.


Figura 1. Recarga artificial por infiltración directa y por recarga inducida.

     La recarga artificial es una práctica de muy larga historia, a veces realizada sin ser el objetivo principal que se pretendía, y en la que en actualmente se dispone de muchas experiencias. Posiblemente el país que ha desarrollado más iniciativas sean los Estados Unidos, pero también son muy numerosas en la Unión Europea, en países como Alemania, Dinamarca, Holanda, Austria, Hungría,… y por supuesto España, donde los acuíferos subterráneos juegan un papel muy importante en la disponibilidad de agua para atender a las demandas.
     Los principales objetivos de la recarga artificial son:
·    Almacenar en acuíferos agua superficial excedente, evitando las pérdidas por evaporación, utilizando la función capacitiva del acuífero, e incrementando el volumen del recurso agua disponible.
·    Depurar, filtrar o diluir agua residual o de calidad mediocre.
·    Eliminar agentes patógenos, durante el proceso de infiltración a través del suelo y su posterior residencia en el acuífero, amortiguando diferencias cualitativas y reduciendo riesgos medioambientales, incluidos los relacionados con la salud.
·    Transvasar agua de un punto a otro, sin necesidad de obras de conducción, actuando el acuífero no sólo como almacén sino también como elemento de transporte.
·    Garantizar la presencia de agua en enclaves ecológicos o medioambientales.
·    Actuar frente a problemas de subsidencia,
·    Crear barreras de presión para:
-   frenar el descenso regional del nivel de aguas subterráneas,
-   frenar el avance de la intrusión marina, o
-   limitar la extensión del cono de drenaje producido por un drenaje minero u excavación
         subterránea.
·    Mejorar la percepción de calidad del agua captada (el abastecimiento a través de sondeos, es más atractivo que el realizado directamente desde ríos, más o menos contaminados).
     Se denomina tasa de infiltración (m/día), de una recarga superficial, a la relación entre el caudal que se infiltra (m3/día) y la superficie precisa para realizar dicha infiltración (m2). La evolución en la llegada de agua al acuífero acusa, en primer lugar, las retenciones propias del medio no saturado que atraviesa, hasta saturar a la demanda de humedad del suelo, para mostrar luego un incremento gradual, hasta alcanzar un valor máximo, que se estabiliza por un tiempo más o menos prolongado, seguido de una disminución gradual de la tasa de infiltración como consecuencia de la posible colmatación de los poros del acuífero.
     Se denomina caudal específico (m2/día), de un pozo o sondeo de recarga, al cociente entre el caudal de inyección (m3/día), y el ascenso de nivel de agua en dicho punto (m).

2. Factores condicionantes

     Antes de plantear una operación de recarga artificial, lo primero es evaluar su idoneidad en la gestión hidráulica global del recurso (aguas superficiales y subterráneas), tanto desde el punto de vista económico, legislativo como de gestión. A continuación deben analizarse una serie de factores que condicionan la viabilidad técnica.
     Normalmente los estudios de base y la ejecución del proyecto requieren abordar los siguientes aspectos:
·   análisis de usos y demandas,
·   estudios hidroclimatológicos,
·   marco hidrogeológico,
·   construcción de una instalación piloto,
·   seguimiento y control de la experiencia piloto,
·   modelización numérica del sistema hidrogeológico (simulación y gestión),
·   nuevos estudios hidrogeológicos de detalle, y
·   diseño y construcción de la instalación de recarga definitiva.
     La realización de este conjunto de actividades, en el desarrollo de un proyecto de recarga, puede llevar de 6 meses a 5 años, dependiendo de su complejidad y tamaño.
     En todo caso, los factores condicionantes de la recarga son:
·   características del agua de recarga,
·   características del acuífero receptor,
·   condiciones meteorológicas y ambientales del entorno, y
·   características de la instalación y método de recarga.

 

2.1   Características del agua de recarga

     El agua de recarga puede tener diferentes orígenes, desde aguas de escorrentía superficial normal, hasta aguas de fusión de glaciares, aguas de tormenta, o aguas procedentes de depuradoras, escorrentía urbana, desaladoras, etc.
     En todo caso es imprescindible conocer la evolución temporal de esa agua, tanto en su composición físico-química, como en cuanto a caudales disponibles, definiendo su naturaleza y punto óptimo de toma.
     Las características que deben ser controladas, a lo largo del tiempo, son:
·   contenido en sólidos en suspensión,
·   composición físico-química incluyendo: iones mayoritarios, metales pesados, compuestos orgánicos, compuestos nitrogenados y fósforo,
·   análisis bacteriológico y virológico,
·   contenido en gases disueltos, y
·   caudal y volumen disponible.
     Dado que, habitualmente, estas características varían a lo largo del tiempo, debe preverse la construcción de dispositivos que permitan homogeneizar el agua, o eliminar aquellas que por su composición no sean deseables, mediante un sistema de control.
     Las principales fuentes de suministro son:
·   aguas superficiales continuas (fusión de nieves, ríos, lagos, etc.),
·   aguas superficiales excedentes (torrentes, ramblas, arroyos, etc.), tomadas directamente o tras su tratamiento previo,
·   aguas residuales de origen doméstico, agrícola o industrial, tras realizar un tratamiento adecuado a su composición, y
·   aguas procedente de otros acuíferos, obtenidas a través de manantiales o bombeos.

 

2.2   Características del acuífero receptor

     En principio, la recarga artificial puede realizarse sobre cualquier formación permeable, que tenga condiciones de almacenamiento y transmisión adecuadas. El éxito de la operación depende, en gran manera, de sus características hidrogeológicas e hidrodinámicas, así como del régimen de explotación al que esté sometido.
     Normalmente, la recarga artificial se realiza sobre acuíferos libres, con nivel piezométrico a profundidad intermedia o somera, bien en materiales granulares (depósitos aluviales o areniscas), bien en materiales consolidados (calizas y dolomías fracturadas y/o karstificadas), aun cuando también puede ser aplicada a acuíferos confinados a cierta profundidad y bajo presiones elevadas (Figura 2).







  


Figura 2. Sistema de Recarga – Reinyección en la mina de Cobre Las Cruces (Sevilla). Planta y sección vertical.

     Los datos del acuífero que deberán ser conocidos son:
·   geología, litología y geometría (extensión, naturaleza, espesor, granulometría, compactación, etc.),
·   quimismo y calidad del agua almacenada,
·   parámetros hidrodinámicos (transmisividad, porosidad, coeficiente de almacenamiento, permeabilidad, infiltración, dirección del flujo, etc.), y
·   sectores de drenaje o descarga, natural y/o artificial.

 

2.3   Características hidroclimatológicas

     La meteorología condiciona la disponibilidad de agua para la recarga. Los factores meteorológicos más relevantes, que deben ser considerados, son los que afectan al balance hídrico, especialmente en su distribución temporal: pluviometría, evaporación, evapotranspiración e insolación.

 

2.4   Características ambientales del entorno

     El relieve del entorno, condiciona las posibilidades de recarga, así como el método y las instalaciones más apropiadas.
     Los factores ambientales más relevantes, que deben ser considerados, son los referentes a:
·   topografía y pendiente,
·   cobertera vegetal, y
·   red hidrográfica superficial.

 

2.5   Alternativas de instalaciones de recarga

     El análisis de la técnica y método de recarga apropiado, para cada caso, debe ser analizado teniendo en cuenta los siguientes factores:
·   diferentes alternativas de instalaciones de infiltración,
·   necesidad y tipo de instalaciones auxiliares (decantadores, filtros, balsas de sedimentación, electrificación, sistema de inyección a presión, conducción, etc.),
·   métodos, equipos de control y seguimiento (caudalímetros, piezómetros, presión de inyección, toma de muestras, etc.), e
·   instalaciones de transporte del agua de recarga (acequias, canales, tuberías, etc.).
     Al comparar la conveniencia de uno u otro método, deben tenerse en cuenta las ventajas e inconvenientes de cada uno. En general, al comparar los sistemas de recarga superficial frente a los profundos, pueden destacarse los siguientes aspectos:
·   las obras de recarga superficial suelen requerir mayor disponibilidad de espacio superficial, que las de recarga profunda,
·   las obras de recarga artificial deben emplazarse sobre terrenos permeables, que permitan conectar libremente con el acuífero,
·   los canales, balsas, cauces y zonas encharcadas, para recarga superficial, pueden favorecer la presencia de mosquitos y otros insectos u animales que acudan a beber,
·   las instalaciones de recarga deben ser protegidas, mediante vallado,
·   las obras de recarga superficial suelen requerir un acondicionamiento previo,
·   los caudales de recarga superficial suelen ser muy superiores a los obtenidos en obras profundas, pero también lo son las perdidas por evaporación,
·   las exigencias sobre la calidad del agua de recarga son muy superiores en las obras profundas, al ser más complejas las operaciones de limpieza y control,
·   los problemas de colmatación plantean más dificultades en la recarga profunda que en la superficial, y
·   el grado de autodepuración del terreno es mayor en la recarga superficial que en la profunda.

 

3. Dispositivos de recarga

     Los dispositivos de recarga los podemos agrupar en dos grupos principales:
·   Dispositivos superficiales: acequias, zanjas, canales, balsas y embalses. El acuífero a recargar no puede encontrarse bajo una formación confinante. Estos dispositivos pueden ubicarse en el lecho de los cauces o fuera de ellos.
·    Dispositivos profundos: pozos, sondeos y galerías. Los acuíferos a recargar pueden tener una formación confinante sobre ellos.

 

3.1   Dispositivos superficiales

 

3.1.1     En cauces

     Los principales tipos de instalaciones de recarga superficial, en cauces, so los siguientes:
·   Serpenteos y represas en cauces
      Se basan en aumentar el tiempo de permanencia y la superficie de contacto, entre el agua y el terreno, mediante la construcción de diques o muretes, transversales al cauce, que obligan a que el agua serpentee incrementando la infiltración natural del río (Figura 3). El río debe ser perdedor (río influente).

Figura 3. Serpenteo en cauce sobre tramo perdedor para incrementar la recarga (Foto: RFR).

·   Escarificación de lechos
      Se trata de un método sencillo y económico, consistente en “ripar” o arar el lecho del río, escarificando la superficie, colmatada por materiales finos, y mejorando así la infiltración (Figura 4). Hemos realizado operaciones con gran éxito en el río Verde (Almuñécar, Granada). Este método sólo es aplicable caso de ser perdedor el río (río influente).

Figura 4. Escarificado en el lecho del río Llobregat (Barcelona) para incrementar la infiltración (Foto: IGME).

·   Zanjas filtrantes en cauces
      Consiste en zanjas excavadas perpendicularmente al sentido del flujo, en el lecho del cauce, de escasa profundidad y cierta anchura, rellenas de cantos rodados, para favorecer la infiltración controlando la colmatación. La infiltración se favorece si, inmediatamente aguas abajo de la zanja, se realiza una represa o pequeño muro de piedras, que favorezca la retención del agua sobre la zanja. Un ejemplo de esta técnica se encuentra en el río Gorgós (acuífero de Jávea, Alicante).
·   Presas de vaso permeable en cauces
      Se trata de embalses de superficie, cuyo vaso no es totalmente impermeable; al retener agua de escorrentía, sobre todo en la época de lluvias, se favorece la infiltración a través del vaso del embalse; estos embalses ayuda, también, a la laminación de avenidas. Es también el caso de embalses que inundan acuíferos, como el Embalse de Santillana (Madrid), almacenando parte de su agua en el sistema kárstico cretácico (Figura 7).

Figura 5. Embalse de Santillana (Madrid), que al inundar a las calizas del Cretácico almacena agua en este sistema kárstico (Foto: Erfil).

 

3.1.2     Fuera de cauces

     Las principales obras de recarga desde superficie, fuera de cauces, son:
·   Acequias o canales
      Son obras lineales de conducción de agua, poco profundas, que siguen la topografía del terreno; la infiltración se produce por el fondo y por los laterales del canal (Figura 7). Ejemplos son las denominadas “acequias de careo” en La Alpujarra (Granada y Almería) (Figura 6), o las amunas en Perú, Chile, Bolivia y Argentina.
Figura 6. Recarga en acuífero cutáneo de ladera desde acequias de careo (Lanjarón, Granada) (Diseño: FRASA).

Figura 7. Recarga artificial desde canal o acequia (Foto: RFR).

·   Balsas
      Se trata de dispositivos rectangulares, poco profundos, y de gran superficie, construidos fuera de los cauces (Figura 8). La infiltración se produce predominantemente por el fondo. Los muros suelen ser de tierra.
      Las balsas de recarga suelen conectarse en serie, en una o varias líneas paralelas.
      Su vida útil suele ser de 10-20 años.


Figura 8. Balsas de recarga artificial en los Llanos del Marquesado (Granada) (Foto: IGME) y en las minas de Porto Trombetas (Pará, Brasil) (Foto: RFR).

·   Superficies de recarga
      Se trata de extender agua por la superficie del terreno, normalmente mediante aspersión, de forma que se oxigena mucho el agua, creando un ambiente oxidante, que mejora la calidad bacteriológica del agua. También sería el caso de riego por inundación con sobretasa de agua.

 

3.2   Dispositivos profundos

     Las principales obras de recarga profunda son:
·   Sondeos de inyección
      La inyección se realiza a través de sondeos profundos, por gravedad o mediante presión. El agua debe inyectarse a través de una tubería que penetre bajo el nivel piezométrico, evitando turbulencias y desprendimiento de CO2, que podría ocasionar la formación de incrustaciones calcáreas en los filtros.
      Su vida útil suele ser de 5-10 años.
·   Balsas o canales con sondeos
      Consiste en una gran superficie de infiltración de escasa profundidad, rellena de grava calibrada, dentro de la cual se ubican sondeos de recarga.
·   Pozos con sondeos o galerías
     Se trata de perforar, desde el fondo de un pozo de diámetro suficiente, sondeos subhorizontales o galerías, a través de las que se introduce el agua en el acuífero.
·   Simas y dolinas
      En acuíferos kársticos, en los que existen cavidades verticales que alcanzan a la superficie, se pueden aprovechar estas depresiones kársticas, a modo de sumideros, para la recarga artificial.

 

4. Depuración de aguas mediante recarga

     Se trata de una técnica muy útil, en abastecimiento urbano, cuando el agua a inyectar presenta ciertos problemas de calidad bacteriológica o de turbidez.
     En este caso, la recarga artificial actúa como sistema de depuración de las aguas que, al pasar por el filtro que supone el medio no saturado, se purifican y pueden alcanzar niveles de calidad aptos para consumo humano. Es así que se tiene un sistema menos costoso que la instalación y operación de plantas de depuración, independientemente de que, una vez captada el agua inyectada, se la someta a un tratamiento de cloración complementaria.
     Esta operación de recarga puede realizarse de dos formas:
·   mediante infiltración directa, a través de balsas, aspersión o sondeos, como hemos indicado en los dispositivos de recarga, o
·   mediante bombeo de agua subterránea, a través de pozos o sondeos, situados cerca de cauces superficiales (ríos, lagos, zanjas de recarga, balsas, etc.), provocando un descenso del nivel piezométrico que produce la recarga inducida y, a su vez, la depuración de esa agua superficial. La cantidad de agua recargada en el acuífero, depende de la distancia al cauce, permeabilidad superficial, tipo de dispositivo, intensidad del bombeo, flujo del agua en la zona de saturación y en el cauce de superficie.

 

5. Colmatación del sistema

     El mayor problema que presentan las instalaciones de recarga artificial es la colmatación, que suele deberse a alguno de los siguientes factores:
·   Efectos físicos. Debido a que los sólidos en suspensión en el agua inyectada se sedimentan, rellenando los poros del acuífero detrítico, e impermeabilizando el entorno de la obra de inyección, sin ser siempre posible su limpieza y recuperación. En este sentido se trata de que el agua tenga la menor cantidad posible de sólidos en suspensión (no debe superar nunca los 20 mg/l, siendo recomendable que se mantenga inferior a 10 mg/l). En dispositivos de recarga profunda se requiere el mínimo contenido de sólidos en suspensión, por la dificultad y costo de los trabajos de descolmatación.
·   Actividad biológica. Se produce por crecimiento y proliferación de algas, especialmente en aguas con materia orgánica, y potenciada por la temperatura; igualmente cabe la colmatación biológica debida a la eutrofización en los dispositivos superficiales de recarga. También se puede considerar, en este tipo de colmatación, a la proliferación bacteriana en sondeos.
·   Procesos químicos. A consecuencia de intercambio iónico, o reacciones de oxidación-reducción, se pueden producir incrustaciones o corrosión en las rejillas de los sondeos, que afectan al proceso de recarga.
·   Formación de barreras de aire o gas. Que se producen por liberación de estos gases disueltos en el agua de inyección, en el entorno del sondeo. Este proceso es más acusado cuando existe diferencia entre la temperatura del agua inyectada y la del acuífero, o cuando hay diferencias importantes de presión.
     En la lucha contra la colmatación hay que diferenciar entre procedimientos para evitar la colmatación en dispositivos de recarga superficial:
·    empleo de decantadores, filtros y alguicidas, previos a la recarga,
·    planificación de la recarga, alternando periodos de inundación y secado, y
·    limpieza y escarificado del lecho filtrante.
En instalaciones de recarga profunda, se actúa contra la colmatación de la siguiente forma:
·    empleo de decantadores, filtros y alguicidas, previos a la recarga,
·    planificación de la recarga, alternando periodos de inyección, con otros de extracción de agua (y los productos de colmatación),
·    limpieza periódica mediante aire comprimido (air-lift), y
·    empleo de ácido clorhídrico y dispersantes (polifosfatos).

 

6. Bibliografía de interés

Armenter Ferrando, J.L. 2006. La recarga artificial de acuíferos en la gestión conjunta de los recursos del río Llobregat. Agua y Ciudad en el ámbito mediterráneo (AQUAinMED). Málaga. IGME, serie Hidrología y Aguas Subterráneas, nº 19.
Fernández Escalante, A.E. y García Rodríguez, M. 2004. La recarga artificial de acuíferos. Marco legal que regula sus aplicaciones. VIII Simposio de Hidrogeología. AEH-IGME.
Fernández Escalante, A.E., García Rodríguez, M., Villarroya Gil, F. y Montero Fernández, J. 2005. Propuesta de un sistema de indicadores medioambientales para la evaluación de impacto ambiental y seguimiento de actividades de regeneración hídrica mediante recarga artificial de acuíferos. Revista Tecnología y Desarrollo. Volumen III. Univ. Alfonso X el Sabio. Villanueva de la Cañada, (Madrid).
Fernández Escalante, A.E. y García Rodríguez, M. 2006. Descripción de indicadores medioambientales para la evaluación de impacto ambiental, seguimiento y control de la restauración de humedales mediante técnicas de recarga artificial de acuíferos. (Segunda parte: indicadores de respuesta). Revista Tecnología y Desarrollo. Revista de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente. Volumen IV. Año 2006. Universidad Alfonso X el Sabio de Madrid.
Fernández Rubio, R. y Lorca Fernández, D. 2010. Artificial recharge of groundwater in mining. International Mine Water Congress. Cape Bretón University. 4 pp. Canadá.
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Sahún Artiga, B. y Murillo Díaz, J.M. 2000. Identificación de acciones y programación de actividades de recarga artificial de acuíferos en las cuencas intercomunitarias. IGME. Madrid.


Actualización: 09/06/2011

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