LA ESCORRENTA SUPERFICIAL EN CUENCAS DEL SECANO

PROLOGO
Los recursos hídricos constituyen un elemento de vital importancia para el
desarrollo de la actividad productiva del país. Esto es particularmente cierto en la
caso del Secano Costero e Interior de Chile Central debido a que la actividad
silvoagropecuaria debe amoldarse al ciclo de las precipitaciones al no contar con
fuentes de agua e infraestructura de riego capaz de suplir la demanda por agua
en el período estival.
Por tal motivo, uno de los principales objetivos del proyecto Conservación del
Medio Ambiente y Desarrollo Rural Participativo del Secano Mediterráneo de
Chile (CADEPA) ha sido el evaluar las fuentes de agua existentes en el Sector
de San José de la comuna de Ninhue, así como el determinar otras fuentes
potenciales.
El presente Boletín titulado “Recursos Hídricos y Manejo del Agua para un
Desarrollo Sustentable del Secano”, contiene 12 capítulos que resumen cinco
años de actividades relacionadas al tema. Muchos han sido los profesionales de
Universidades chilenas y del INIA que han trabajado en el tema, pero creo que
es justo reconocer a algunos extranjeros, como Koki Ota y Yukio Okuda de la
Agencia de Cooperación Internacional del Japón (JICA), así como a John Selker
y David Rupp de la Universidad de Oregon (USA) por sus importante aportes
para la obtención de los resultados que se resumen en este boletín.
Los temas tratados son: la escorrentía superficial, evaluación de prácticas de
conservación de suelo, factibilidad de pequeñas obras de acumulación, estudio
de recarga de las aguas subterráneas, estudio de disponibilidad de aguas
subterráneas, estimación del rendimiento de pozos noria, evaluación de tres
prácticas de conservación sobre los niveles de humedad del perfil del suelo,
estudios geofísicos de aguas subterráneas y de los niveles freáticos en rocas
fracturadas, estudio de la contaminación en agua de pozo destinada a consumo
humano, energías renovables para el bombeo de agua y finalmente el clima en
el área agroecológica del secano interior.
Esperamos que los antecedentes presentados en este boletín sirvan a
profesionales, productores, estudiantes y a las autoridades de planificación para
comprender mejor a este amplio sector de la agricultura nacional.
Claudio Pérez Castillo
Administrador Proyecto CADEPA
CAPÍTULO 1
LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL EN CUENCAS DEL SECANO INTERIOR
Autores:
Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS
Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©
David E. Rupp, Forestry MSc.
Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola
Consultor Técnico:
José Luis Arumi R., Ing. Civil, PhD.
LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL EN CUENCAS DEL SECANO INTERIOR
1.1. INTRODUCCIÓN
Las condiciones particulares de topografía, tipo de suelo, nivel de degradación,
intensidad y distribución de las lluvias, son algunos de los factores que determinan el
comportamiento de la escorrentía superficial en el secano Interior.
Los altos niveles de degradación de suelo, junto a suelos de origen granítico, con
presencia de arcillas expansivas, determinan una mínima capacidad de infiltración,
sobre todo en condiciones de saturación. Esto provoca que en temporadas de invierno,
cuando ocurre un evento de precipitación y el suelo se encuentra saturado, por lo que
casi la totalidad del agua escurre hacia los esteros.
Relacionado con lo anterior está la intensidad y distribución de las precipitaciones,
puesto que un mismo evento de lluvia, si ocurre horas o pocos días después de lluvias
anteriores, encuentra el suelo saturado y va a producir una escorrentía alta en relación
a aquella producida si no hubo lluvias durante los días previos y el suelo se encuentra
seco, pudiendo absorber parte del agua.
Los estudios de escorrentía superficial realizados en el marco del proyecto CADEPA, si
bien llevan pocos años para realizar análisis estadísticos completos, permiten hacer
análisis cuantitativos y cualitativos para dimensionar la importancia de los recursos
hídricos superficiales, como también la relevancia del adecuado manejo del suelo en el
Secano.
1.2.
METODOLOGÍA
En el área del Sector San José para la realización de los estudios se han seleccionado
tres cuencas representativas con superficies de 15, 42 y 725 ha. En la Figura 1.1. se
presentan las tres microcuencas y en la Figura 1.2. los puntos de medición de
escorrentía y puntos de medición de precipitación.
Estero San Jose
Rio Lonquen
Estero Santa Rosa
Red Drenaje
Cuenca San Jose
Sub-cuenca 3
Sub-cuenca 2
Sub-cuenca 1
5970020 m N
N
5966207 m N
0
0.5
725094 m E
720777 m E
0.5
1 kilómetros
Figura 1.1. Ubicación de las tres cuencas seleccionadas para el estudio.
718000
719000
720000
721000
722000
723000
724000
725000
5971000
5971000
N
5970000
5970000
#
5969000
#
(
X
5969000
#
##
(
X
#
#
#
##
#
#
#
#
##
# #
#
#
##
#
719000
720000
5966000
#
#
# #
# # ##
#
##
#
#
##
#
#
##
#
#
##
#
#
#
##
5966000
718000
(
X
Pozos
Estero San Jose
Estero Santa Rosa
Red Drenaje
Cuenca San Jose
Sub-cuenca 2
Sub-cuenca 1
Punto de Aforo
Pluviometro
5967000
5967000
#
#
5968000
5968000
#
721000
722000
723000
724000
725000
Figura 1.2. Ubicación de puntos de medición de escorrentía y precipitación en el
área de estudio.
La escorrentía de las cuencas es principalmente de origen pluvial con escasos aportes
de aguas subterráneas. Los cauces en estudio son afluentes del estero San José, el
cual es afluente del estero Santa Rosa, ambos pertenecen a la cuenca del río Lonquén.
En el Cuadro 1.1. se entrega una caracterización física de las microcuencas en estudio.
Cuadro 1.1. Caracterización de las microcuencas sector San José.
Características
Unidad
Microcuenca
Microcuenca
Microcuenca
Nº 1
Nº 2
Nº 3
Área
ha
725
42
15
Perímetro
km
14,29
3,33
1,673
Elevación mínima
m
55
57,5
95
Elevación máxima
m
230
137,5
144,69
Longitud del cauce
km
2,84
1,26
0,53
0,0193
0,0535
0,056
principal
Pendiente del cauce
M/m
principal
1.2.1. Estructuras y equipos de medición
Los cauces en estudio no disponen de estaciones fluviométricas por lo que fue
necesario la construcción de estructuras de aforo capaces de medir la escorrentía
superficial que escurre de las cuencas. Para cada cuenca se seleccionó una estructura
de aforo dependiendo de sus características físicas e hidrológicas.
1.2.1.1. Canoa Santa Rita
Esta obra, debido a su envergadura está construida en hormigón armado y está
ubicada en la cuenca de 725 ha. (Figura 1.3.).
La descarga que ocurre en esta
estructura se establece mediante la siguiente expresión la cual relaciona la altura de
escurrimiento en el centro de la canoa (H) y el caudal (Q) que escurre a través de la
sección.
Así:
Q = 812,63 × H 3 − 349,79 × H 4 + 65,3 × H 3 + 3,65 × H 2 + 0,01× H
; Para H < 0,2 m.
y
Q = 5,41× H 2 + 2,7 × H − 0,395
; H>0,2 m.
Donde:
Q
= Caudal en (m3/s).
H
= Altura de escurrimiento (m).
Figura 1.3. Canoa Santa Rita para aforo en microcuenca (725 ha).
1.2.1.2. Ducto circular
El caudal que es capaz de transportar un ducto de forma circular (Figura 1.4.) está dado
por la ecuación de Manning, la cual relaciona la geometría de la sección de
escurrimiento, la pendiente y la rugosidad de las paredes con la descarga de la sección.
Así, el caudal queda definido mediante la siguiente expresión:
Q=
2
i
× A × Rh 3
n
Donde:
Q
= Caudal que se transporta (m3/s).
i
= Pendiente del canal (m/m).
A
= Área de la sección de escurrimiento (m2).
Rh
= Radio hidráulico de la sección de escurrimiento (m)
n
= Coeficiente de rugosidad de Manning.
El coeficiente de rugosidad de Manning depende del material con el que están
construidas las paredes del ducto y del estado en que este se encuentre, valor definido
igual a 0,012 para el caso de ductos de hormigón comprimido.
Figura 1.4. Tubo de Aforo para microcuenca de tamaño medio (41,6 ha).
1.2.1.3. Canoa Fondo Plano
La Canoa Fondo Plano (Figura 1.5.) se basa en el principio hidráulico del flujo crítico,
que ocurre en una sección de control, la relación que existe entre la profundidad de
agua y la descarga es independiente de otros factores no controlables que influyen en
el flujo tales como la rugosidad del cauce.
Así, en los aforadores de flujo crítico como el que se describe, la profundidad crítica se
forma al contraerse la sección del flujo por las paredes divergentes del medidor. El
aforador puede operar en condiciones de flujo libre o bajo condiciones de flujo
sumergido.
Bajo condiciones de flujo libre la profundidad crítica ocurre en la cercanía de la garganta
de la canoa. El caudal no es afectado por las variaciones que puedan ocurrir aguas
debajo de la garganta, de manera que la descarga se pueda determinar simplemente
indicando la profundidad de aguas arriba, en el aforador.
El caudal se puede estimar mediante la siguiente fórmula:
Q = C × (ha )
n
Donde:
Q
= descarga en m3/s.
ha
= profundidad del flujo aguas arriba.
n
= exponente de flujo libre.
C
= coeficiente de flujo libre.
El valor del exponente “n” depende únicamente de la longitud L. Por el contrario, el
valor del coeficiente de flujo libre C, depende tanto de la longitud L, del aforador como
de la amplitud de su garganta W.
C = K ×W 1,025
Donde K es el coeficiente de longitud de aforador para flujo libre.
Figura 1.5.
Canoa de Fondo plano utilizada para medir caudal en mínima
microcuenca pequeña (15 ha).
Estas estructuras de medición están provistas de sensores de presión y loggers que
permiten almacenar datos y definir la frecuencia de muestreo. Los sensores utilizados
son tipo DIVER, (Figura 1.6.).
Figura 1.6.
Sensor de presión conectado a un computador para extraer la
información.
1.2.2. Mediciones de precipitación
Para la medición de precipitación en los tres puntos seleccionados (Figura 1.2.) se
están utilizando pluviómetros con dataloggers que permiten almacenar datos y
extraerlos con computador. El tipo de logger utilizado es un Hobo (Figura 1.7.).
Figura 1.7. Pluviógrafo utilizado en los tres puntos de medición de precipitación.
Además, a partir del año 2001 se instaló una estación meteorológica automática
Campbell CR23X.
1.3. RESULTADOS
1.3.1. Comportamiento estacional de las aguas superficiales en cuencas del
secano
Las aguas superficiales que escurren por los esteros o ríos en la zona del estudio
presentaron un comportamiento estacionalmente intermitente, es decir, los cursos de
agua se secan durante el verano, o si existe algún escurrimiento, es mínimo.
Las lluvias se concentran durante los meses de invierno. En años en que la lluvia anual
acumulada fue mayor a 600 mm la escorrentía comenzó luego de 100 mm de
precipitación, sin embargo este valor puede ser algo mayor en temporadas poco
lluviosas como el año 2003 (Figura 1.8.). Este comportamiento es concordante con la
información de cuencas de mayor tamaño como la del río Lonquén.
Lámina Acumulada (mm)
450
401
400
350
300
250
E
P
200
150
100
50
42
mar-04
ene-04
nov-03
oct-03
ago-03
jun-03
may-03
mar-03
ene-03
dic-02
0
Meses
Figura 1.8. Precipitación y Escorrentía Superficial medida en la Micro cuenca 3.
Durante las temporadas 2001 a 2003 la escorrentía anual resultó muy dependiente de
las lluvias anules, variando entre 10% en años secos, hasta más de 50% en años
lluviosos (Figura 1.9.).
Lámina Anual (mm)
Precipitación y Escorrentía
1000
800
600
400
200
0
PP
ESC
2001
2002
2003
Figura 1.9. Precipitaciones y Escorrentía anuales medidas en la micro cuenca 1.
Los análisis de los datos mensuales indicaron que en temporadas lluviosas, y en meses
de alta intensidad de precipitaciones, casi la totalidad de la lluvia alcanzó los esteros y
se perdió como escorrentía superficial (Figura 1.10.). Además se puede notar que los
primeros meses lluviosos encontraron el suelo no saturado, con capacidad para retener
parte del agua lluvia, por lo que escurrió solo una parte de ella. Por otro lado, en meses
de fines de invierno, cuando el suelo ya se encontraba saturado, se observó que casi la
totalidad de la lluvia alcanzó los esteros. Esto significa que los caudales instantáneos
pueden ser muy altos.
250
Lamina (mm/mes)
200
150
ETo
P
E
100
50
ene-03
dic-02
oct-02
sep-02
jul-02
may-02
abr-02
feb-02
dic-01
0
Meses
Figura 1.10. Información mensual de Precipitación (P), escorrentía Superficial (E)
y Evapotranspiración potencial (ETo) en la micro cuenca 1, para la temporada
2002.
En años poco lluviosos la escorrentía superficial puede ser baja, del orden de 30 a 40
mm por año, y además representó cerca del 10% de la lluvia. En este caso el suelo se
mantuvo con niveles de humedad menores que años lluviosos, lo que explica que
incluso durante los meses de mayores precipitaciones, el porcentaje del agua lluvia que
alcanzó los esteros fue poca.
250
Lámina (mm/mes)
200
150
ETo
P
E
100
50
ene-04
dic-03
nov-03
oct-03
sep-03
ago-03
jul-03
jun-03
may-03
may-03
abr-03
mar-03
ene-03
ene-03
0
Meses
Figura 1.11. Información mensual de Precipitación (P), Escorrentía Superficial (E)
y Evapotranspiración Potencial (ETo) en la micro cuenca 1, para la temporada
2003.
1.3.2. Cuantificación de las aguas superficiales y sus limitaciones
Como se mencionó anteriormente, solo un porcentaje de la lluvia se trasforma en
escorrentía superficial, la cual podría eventualmente ser acumulada en embalses.
Considerando la información de precipitación de la Estación Coelemu, con más de 40
años de datos, se pudo realizar un análisis de probabilidad. El escurrimiento medido en
cuencas pequeñas para un año de poca lluvia (400 mm), como el 2003, fue de 40 mm
aproximadamente. La probabilidad de tener lluvias mayores que ésta es mayor a 95%,
es decir una vez en 20 años podría haber menos de 400 mm, o dicho de otra forma,
cada 20 años podía haber menos de 40 mm de escurrimiento.
Con un escurrimiento superficial anual de 40 mm se podrían juntar 2000 m3 de agua en
una cuenca de solo 5 ha y 4000 en una de 10 ha. En una cuenca de 50 ha se podría
embalsar alrededor de 20.000 m3. De esta manera se asegura que la disponibilidad de
agua para llenar embales pequeños no es una limitante. Sin embargo existen otras
dificultades asociadas a estas obras que se detallarán más adelante.
Al hacer un análisis diario, horario, o incluso cada 5 ó 10 minutos se puede apreciar el
comportamiento de la escorrentía (Figura 1.12.). Es importante señalar que tal como a
nivel estacional se produce una intermitencia (verano sin flujo de agua e invierno con
escorrentía), esto también ocurre si se considera una escala temporal menor. Es decir,
durante la época de invierno los eventos de lluvia son seguidos por crecidas de los
esteros, las cuales en pocas horas decrecen para alcanzar un nivel mínimo, esto se
denomina caudal base. Al comparar el escurrimiento superficial anual que ocurre en las
crecidas con el que ocurre en forma de caudal base, se observó que sobre el 80% de
agua escurre durante las crecidas y sólo el 20% corresponde al caudal base.
50
Escorrentía (mm/día)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
ene-03
dic-02
nov-02
oct-02
oct-02
sep-02
ago-02
jul-02
jun-02
may-02
abr-02
mar-02
feb-02
ene-02
dic-01
0
Meses
Figura 1.12. Comportamiento diario de la escorrentía superficial medido en la
micro cuenca 1.
Esto constituye un problema para la construcción de los vertederos de los embalses,
que deben ser capaces de evacuar grandes caudales instantáneos, lo que significa un
aumento en el costo de los embalses pequeños. Así, como para asegurar un mínimo
de agua para llenar los embalses debemos centrarnos en los años poco lluviosos, en el
caso del caudal de diseño para los vertederos el problema son los años más lluviosos.
Además de eso hay una gran influencia de la distribución de las precipitaciones en los
eventos. Durante los años en que se han realizado las mediciones no se han registrado
altos niveles de lluvia. El año 2002 se cuantificaron alrededor de 900 mm, lo que
equivale a una probabilidad de 50%, es decir cada 2 años podría haber más lluvia que
ésta, por lo tanto, aún no hay datos confiables para estimar caudales máximos para las
condiciones del secano de Ninhue. Los datos obtenidos indicaron caudales de mas de
20 m3/s en un cuenca de 725 ha y de 0.27 m3/s en una cuenca de 15 ha, ambos
durante el año 2002. Análisis mediante transposición de información entre cuencas,
usando el Método Racional dieron como resultado 0.2 m3/s de escorrentía superficial de
diseño de un vertedero para una cuenca de 10 ha aproximadamente.
Otro problema para la construcción de embalses pequeños en el secano es la
topografía del área, es difícil encontrar lugares topográficamente apropiados que tengan
una zona de acumulación de agua suficiente y una garganta estrecha para construir un
muro económicamente rentable.
1.4. CONCLUSIONES
En el área del secano de Ninhue existe disponibilidad de aguas superficiales, sin
embargo se concentran en invierno obligando a la construcción de embalses si se
pretenden usar con fines de riego.
El principal problema no es la disponibilidad en si misma, sino la distribución de las
lluvias que hace que los esteros presenten grandes crecidas, haciendo necesaria la
construcción de vertederos con dimensiones considerables. Esto implica altos costos.
Un obstáculo importante es que la topografía de la zona estudiada no permite la
construcción de embalses con relaciones volumen acumulado/volumen muro altas.
1.5. BIBLIOGRAFÍA
Comisión Nacional de Riego y CIREN-CORFO. 1997. Lámina 8. Cartografía de la
evapotranspiración potencial en Chile. Chile.
Jara, J. y A. Valenzuela, 1998. Necesidades de Agua de los Cultivos. 26 p. Boletín
Comisión Nacional de Riego, Universidad de Concepción, 1998. Chillán Chile.
Maidment, D. R., 1993. Handbooks of Hydrology. McGraw-Hill, USA
Millar, Agustín. 1993. Manejo de Agua y Producción Agrícola. 556 p. IICA y Universidad
de Concepción, Chile.
Pozo l., A del; Canto S., P del. 1999. Áreas Agroclimáticas y sistemas productivos en la
7 y 8 regiones. 116 p. Serie Quilamapu no.113. Instituto de Investigaciones
Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán, Chile.
Selker, J.; D. Rupp; M. Leñam; H. Uribe, 2000. Estudio Hidrológico en el Secano
Interior. Resultados Preliminares del Proyecto Piloto en Portezuelo. Informe
Técnico de Riego. 41 p. Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI
Quilamapu, Chillán Chile.
Smith R. E., D. L. Chery, Jr., K. G. Renard, and W. R. Gwinn, 1982. Supercritical
Flumes For Measuring Sediment-Laden Flow, Tech. Bul. Nº 1655, USDA.
Valenzuela, A., C. Crisóstomo, A. Alfaro y J. Quezada, 1997. Canoa Aforadora de
Fondo Plano, Boletín, 53. 23 p. Facultad de Ingeniería Agrícola, U. de Concepción,
Chillán Chile
CAPÍTULO 2
EVALUACIÓN DE PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN DE SUELO EN LA
ESCORRENTÍA DE CUENCAS DEL SECANO INTERIOR DE CHILE
AUTORES:
Octavio Lagos. Ing. Civil Agrícola Ms © .
Hamil Uribe. Ing. Civil Agrícola Ms.
Yukio Okuda. Ing. Civil Agrícola.
CONSULTORES TÉCNICOS:
John Selker. Agricultural Eng. MSc. PhD.
David Rupp. Forestry MSc.
Jose Luis Arumí. Ing. Civil PhD.
EVALUACIÓN DE PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN DE SUELO EN LA
ESCORRENTÍA DE CUENCAS DEL SECANO INTERIOR DE CHILE
2.1. INTRODUCCIÓN
El secano interior de Chile es una extensa zona ubicada en la vertiente oriental de la
cordillera de la costa, ocupa una superficie de 1.6 millones de hectáreas, de las cuales
15% son aptas para cultivos. La topografía predominante es ondulada, en la cual se
distinguen dos tipos de paisajes, las lomas y los llanos (Del Pozo, 1999).
Una de las principales limitantes para el desarrollo del área es la escasez de los
recursos hídricos en aquellos períodos donde la demanda es máxima. Las cuencas que
pertenecen a esta zona presentan una alta pluviometría concentrada en los meses de
invierno, con un severo período de sequía estival.
Las escorrentías superficiales también son concentradas, los caudales de los esteros
crecen y caen rápidamente (con cambios de 100% de flujo en menos de una hora),
arrastrando sedimentos con un gran rango de tamaños. Esto señala la importancia de
medir intensidad de lluvia para poder explicar el hidrograma de los cauces (Selker et al.,
2000).
El objetivo principal de los sistemas de manejo conservacionista de suelos y aguas, es
incrementar o por lo menos mantener la productividad de la tierra, deteniendo o
revirtiendo los procesos de degradación que las afectan. Esta productividad dependerá
en gran parte de las condiciones físicas, químicas y biológicas del perfil del suelo donde
crecen los sistemas radiculares.
Uno de los factores principales que limitan los rendimientos de los cultivos son las
condiciones deficitarias y la gran variabilidad de la humedad en el perfil del suelo. Las
probabilidades de falta de agua para el crecimiento del cultivo aumentan cuando
disminuye la velocidad, y volumen de infiltración de agua en el suelo por lo que el
desarrollo radicular es escaso y poco profundo.
Las prácticas de manejo de suelos, aguas y cultivos, en especial las labranzas están
orientadas a mantener y mejorar las condiciones físicas, químicas y biológicas de los
suelos. Ello permitirá proteger la superficie del suelo del impacto de las gotas de lluvia,
aumentar la infiltración de agua en el perfil, mantener un ambiente favorable para la
penetración y desarrollo radicular, y también reducir los volúmenes de escorrentía y
erosión.
El secano Interior tiene los suelos más erosionados y menos productivos de la región
centro sur de Chile como consecuencia de las prácticas de manejo y laboreo poco
cuidadosas a que han sido sometidos por muchos años (Mellado, 1992). Por esta razón
se han propuesto distintas prácticas de conservación de suelo destinadas a mejorar los
niveles de degradación en estas zonas.
El objetivo general del presente trabajo es evaluar el efecto de las prácticas de
conservación de suelo sobre la escorrentía en cuencas del secano Interior de Chile,
específicamente comparar prácticas actuales de conservación de suelos con prácticas
tradicionales y evaluar el efecto de las prácticas en los hidrogramas de descarga y en el
arrastre de sedimentos.
2.2. ÁREA DE ESTUDIO
El área de estudio se encuentra ubicada en el secano Interior de Chile en las
coordenadas 36º27’ de Latitud Sur y 72º32’ de Longitud Oeste, a una altitud entre los
30–230 m sobre el nivel del mar, específicamente en el sector San José de la comuna
de Ninhue, VIII Región (Figura 2.1.).
Se seleccionaron dos sub-cuencas del estero San José con diferentes manejos de
suelo con el objeto de evaluar su efecto sobre la escorrentía superficial.
San José
Figura 2.1. Ubicación del área de estudio, San José.
2.2.1. Clima
El clima del área corresponde a mediterráneo marino, la precipitación anual promedio
fluctúa entre 640-1100 mm pero con un rango de variación entre años muy amplia (Del
Pozo, 1999).
El 80% del agua precipita entre marzo y agosto, y solo el 15% ocurre entre el período
septiembre a noviembre. Esto determina que el agua disponible para los cultivos en
promedio dure hasta octubre. La evapotranspiración potencial anual varía entre 9441244 mm.
La temperatura promedio anual fluctua entre 13,3 y 15,6 ºC con una temperatura
mínima del mes más frío (julio) entre 3,9 y 5,2 ºC y temperatura máxima del mes más
cálido entre 27-31,1ºC.
Las horas de frío anuales son entre 850-1200 hr (Del
Pozo,1999).
2.2.2. Suelo
Los suelos son de origen granítico, profundos, con perfiles arcillosos densos y muy
compactos, de textura franco arcillo arenosa y presencia de cuarzo. Con colinas
ondulantes, muy erosionadas, debido a que la fuerza de adhesión entre las partículas
es baja. Poseen bajo contenido de materia orgánica y alto contenido de fracciones limo
y arcilla. Los suelos que ocupan posiciones altas e intermedias han estado sometidos a
una severa acción geológica. Esto sumado a una erosión hídrica acentuada por la
acción del hombre, ha provocado el desplazamiento de estos materiales hacia las
depresiones que están constituidas por sedimentos de origen lacustre (Ovalle y Del
Pozo, 1994).
Los suelos presentan una baja permeabilidad, alta capacidad de retención de humedad
y bajas tasas de infiltración. Esta situación provoca altas escorrentías superficiales
concentradas en los meses de invierno y casi nulas en verano, las cuales crecen y
decrecen rápidamente, después de los eventos de precipitación (Selker et al., 2000).
2.2.3. Topografía
La topografía del área es ondulada caracterizada por la presencia de lomas, cerros y
quebradas, la pendiente media es de un 14 % (Desv. Est. 14,6) con rangos de
elevación entre 37 m a 228 m sobre el nivel del mar (Ramírez, 2002).
2.2.4. Hidrología
La zona en estudio pertenece a la hoya hidrográfica del río Itata en la subcuenca del río
Lonquén en el sector San José de la comuna de Ninhue (Figura 2.2.).
San José
Figura 2.2. Modelo digital de elevación cuenca del río Lonquén.
Según registros de precipitación y escorrentía de la Dirección General de Aguas (1987)
el 80% de la precipitación de la cuenca ocurre entre los meses de marzo y agosto, los
primeros 100mm de lluvias no provocan escorrentías, mientras que los primeros 400mm
de lluvia solamente provocan 150 mm de escorrentía (37%), y los últimos 400 mm
producen 250 mm de flujo superficial (62%), en promedio anualmente el 47% de la
precipitación se traduce en escorrentía superficial. Estos antecedentes, concuerdan
con los observados por Selker (2000), Leñam (2000) y Uribe (2002), e indican que las
primeras lluvias se infiltran, y solamente después de esto se producen los flujos
superficiales.
Uribe (2002) realizó balances hidrológicos en dos cuencas del secano Interior, este
estudio demostró que en el año 2001, aproximadamente el 55% de la precipitación se
traduce en escorrentía, el 42% en evapotranspiración de la Cobertura Vegetal y sólo
entre 3-4% se convierte en percolación profunda.
2.3. MATERIALES Y MÉTODOS
Desde comienzos del presente estudio (julio 2002) se realizan mediciones de
precipitación, escorrentía superficial, presión atmosférica, humedad y arrastre de
sedimentos en dos cuencas del secano Interior de Chile.
2.3.1. Microcuencas
Se seleccionaron dos cuencas colindantes de 6,1 y 5,3 ha, características del área en
estudio, la primera con manejos conservacionistas destinado a mejorar la infiltración y
disminuir la erosión producida por los eventos de precipitación y la segunda sin
manejos de conservación. En Cuadro 2.1. se muestran las coberturas y los manejos de
las cuencas.
Cuadro 2.1. Cobertura de suelo y manejos en cuencas en estudio.
Cuenca con manejos conservacionistas
COBERTURA
Pinos
Especies Nativas
Pinos
Trigo
Hualputra-trigo
Trigo-Leguminosas
Carcavas (árboles, matorrales)
MANEJO
Zanjas de infiltración
Zanjas de infiltración
Zanjas de infiltración
Mínima labranza
Mínima labranza
Mínima labranza
TOTAL
(%)
20,0
2,1
3,5
10,0
29,9
17,7
16,7
100
Cuenca sin manejos conservacionistas
MANEJO
Cobertura natural
Carcavas (árboles, matorrales)
TOTAL
(%)
86
14
100
(ha)
4,6
0,7
5,32
(ha)
1,2
0,1
0,2
0,6
1,8
1,1
1,0
6,1
2.3.2. Precipitación
Las mediciones de precipitación fueron realizadas cada 15 minutos a través de un
estación meteorológica modelo Campbell Datalogger CR23X que además permite
registrar radiación solar, velocidad de viento, temperatura ambiental y humedad relativa.
Esta estación se encuentra ubicada en la cuenca con manejos conservacionistas.
Foto 2.1. Estación Metereológica Campbell CR23X.
2.3.3. Escorrentía
La escorrentía superficial en ambas cuencas se midió cada 5 min con un aforador
circular de capacidad entre 80 – 7000 L min-1 (Samani et al., 1991), cada aforador esta
implementado con dos medidores de presión Diver, uno sumergido para medir presión
por carga de agua más presión atmosférica y otro al aire libre para medir presión
atmosférica y obtener el nivel de agua por diferencia.
450 mm
3m
Figura 2.3. Aforador circular de ambas cuencas.
2.3.4. Sedimentos
Como medida de protección de las estructuras de aforo se instalaron obras de
sedimentación que pudiesen captar el arrastre de suelo producto de la escorrentía.
Estas obras consisten en dos sedimentadores de arrastre de fondo ubicados aguas
arriba de los aforadores circulares.
Luego de cada evento importante de escorrentía se inspeccionó, limpió y evaluó la
acumulación de sedimentos. El arrastre de sedimentos se obtuvo mediante medidas
volumétricas de los sedimentos captados por las estructuras.
2.4. RESULTADOS
La figura 2.4 y 2.5 muestra los registros de precipitación del año 2002 (julio a diciembre)
y 2003 (enero a diciembre) respectivamente.
Figura 2.4. Precipitación del área en estudio año 2002 (julio a diciembre).
Figura 2.5. Precipitación del área en estudio año 2003 (enero a diciembre).
El área de estudio posee una precipitación media anual de 775 mm/año, concentrada
en los meses de invierno, donde la lluvia duplica los niveles de evaporación potencial.
Durante el año 2002 la precipitación anual fue de 935.8 mm (21% mayor a un año
normal) mientras que el año 2003 fue de 460.5 mm (59% de un año normal).
La Figura 2.6 muestra los valores registrados de precipitación y escorrentía acumulada
en mm, desde julio 2002 hasta diciembre 2002 de ambas cuencas.
Figura 2.6. Precipitación y escorrentía acumulada (2002) de ambas cuencas (mm).
En el período de análisis 2002 las evaluaciones han indicado que no existen diferencias
en los volúmenes de escorrentía registrados, el escurrimiento superficial en promedio
corresponde a un 45% de la precipitación en ambas cuencas. Los hidrogramas de
descarga muestran que ambas cuencas responden en forma similar a los eventos de
precipitación en cuanto al tiempo de respuesta y duración de los eventos. En la Figura
2.7 se muestra un hidrograma de descarga característico de ambas cuencas producido
por un evento de precipitación.
Figura 2.7. Hidrograma de descarga para las cuencas en estudio en un evento de
precipitación.
Durante el año 2003, producto de las bajas precipitaciones el escurrimiento superficial
fue de aproximadamente 30mm para ambas cuencas, aproximadamente un 7% de la
precipitación anual (460mm),
Figura 2.8. Precipitación y escorrentía acumulada (2003) de ambas cuencas (mm).
Adicionalmente durante el período de análisis se registraron los sedimentos producidos
por arrastre superficial en la escorrentía de ambas cuencas (Figura 2.9).
100%
0,50
0,45
0,40
0,30
42%
0,25
100%
3
m ha
-1
0,35
0,20
0,15
8%
0,10
2002
0,05
2003
0,00
C/ manejos
S/ manejos
Figura 2.9. Arrastre de sedimentos en ambas cuencas período 2002-2003.
Los valores encontrados de sedimentos muestran que las prácticas de conservación
tienen un efecto inmediato en cuanto a conservación de suelos mediante el control de la
erosión hídrica. En comparación, el año 2002 la cuenca con manejos conservacionistas
posee un 42% menos de sedimentos que la cuenca sin ningún manejo, mientras que el
año de menores precipitaciones (2003) los sedimentos encontrados en la cuenca con
manejos de conservación de suelos fue un 8% de los sedimentos medidos en la cuenca
sin manejos.
2.5. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
En el período de análisis no se observan diferencias en los volúmenes de escorrentía
medidos, sin embargo se espera que en el transcurso del estudio se encuentren
diferencias en la escorrentía producto de un mayor grado de establecimiento de las
prácticas conservacionistas.
Los hidrogramas de descarga son muy similares entre ambas cuencas en cuanto a
duración, volúmenes de escorrrentía y caudales máximos. Esto explica la similitud de la
escorrentía acumulada en ambas cuencas.
Existen claras diferencias en los volúmenes de arrastre de suelo, por lo que para estas
condiciones las prácticas conservacionistas son exitosas en cuanto al control de la
erosión. Considerando que la escorrentía es la misma en ambas cuencas, solamente el
efecto de las prácticas de conservación ha logrado disminuir la erosión.
Dado el corto período de mediciones no es posible establecer en forma clara que las
prácticas de conservación mejoren la infiltración en este tipo de suelo.
2.6. BIBLIOGRAFÍA
Del Pozo, Del Canto, 1999. Áreas Agroclimáticas y sistemas productivos en la VII y VIII
región, Serie Quilamapu Nº 113, Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI
Quilamapu, Chillán, Chile, 116 p.
Mellado M, 1992. Producción de Trigo en el secano Interior. Instituto de investigaciones
agropecuarias, Centro Regional de Investigación INIA Quilamapu. 61 p.
Ovalle C. y A. Del Pozo, 1994. La agricultura del secano Interior. Instituto de
investigaciones
agropecuarias,
Centro
Regional
de
Investigación
INIA
Quilamapu. 234 p.
Ramírez, J. 2002. Peasant rationality and land cover changes in the central drylands of
Chile. Thesis Ph.D. in Geography. University of Nebraska-Lincoln, USA. 189 p.
Samani Z, S Jorat and M. Yousaf, 1991, Hydraulic Charasteristics of circular
flume.Journal of Irrigation and drainage Engineering. 117 (4). 558-566.
Selker J., D. Rupp, M. Leñam y H. Uribe, 2000 Estudio Hidrológico en el secano Interior,
resultados preliminares del proyecto piloto en Portezuelo.Informe técnico, INIA
Chillán, Chile, 41p.
Uribe H., J. L. Arumí, L. Gonzalez y L. Salgado. 2003, Balances hidrológicos para
estimar recarga de acuíferos en el secano Interior de Chile. Ingeniería Hidráulica
en México, Vol XVIII, num3,pp 17-28 julio-septiembre 2003.
CAPÍTULO 3
PEQUEÑAS OBRAS DE ACUMULACIÓN
AUTORES:
Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola
Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS
Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©
CONSULTOR TÉCNICO
José Luis Arumí R. Ing. Civil
PEQUEÑAS OBRAS DE ACUMULACIÓN
3.1 . INTRODUCCIÓN
Existen dos medidas fundamentales para realizar una agricultura preocupada en la conservación de
los suelos: la primera es aplicando una buena administración de los cultivos y sus rotaciones y la otra
es construyendo obras civiles que ayuden en el control de la erosión y en el almacenamiento del
agua.
En este capítulo se explica el diseño y construcción de pequeñas presas de acumulación de agua,
basándose en la experiencia obtenida en el sector de San José comuna de Ninhue, correspondiente
al secano interior de la Vlll región de Chile, ubicación actual del proyecto CADEPA. En este lugar las
precipitaciones anuales son bajas, llegando a un promedio anual aproximado de 700 mm, con una
panorámica muy pobre en vegetación. Este lugar posee dos características fundamentales con
respecto al agua con que se cuenta, las cuales son:
1- Existen muy pocos ríos con un flujo de agua constante en el año.
2- Las vertientes existentes son muy escasas en numero y en caudal.
En reflejo a esta situación, el agua para riego utilizada en la zona, proviene esencialmente de
aguas subterráneas superficiales (punteras y pozos noria), aunque existen pequeñas obras de
acumulación en vertientes, estas son muy mal empleadas, por no tener claro el objetivo del uso y no
existir sistemas de riego que optimicen el recurso.
El tema del desarrollo de recursos hídricos en la agricultura para el secano interior, se puede resumir
en poder acumular aguas lluvias en invierno, para ser usadas en la temporada de riego.
Para acumular el agua en la superficie del suelo, es necesaria la construcción de obras específicas
para este fin, como son los “depósitos de agua” o “embalses interanuales (presas)”, estos últimos
cierran el paso del agua proveniente de las precipitaciones a través de un muro contenedor o
terraplén ubicado estratégicamente en un valle entre montañas. El embalse es una obra civil, cuyo
último fin es el desarrollo rural, aprovechando aguas de lluvia para asegurar recursos hídricos
estables.
En cuanto a la geología superficial de la zona, se puede mencionar que es de origen granítico poco
permeable, muy difícil de perforar hasta las napas de agua subterránea, por lo que en la época de
lluvias una gran cantidad de esta escurre.
El presente manual trata principalmente las pequeñas presas de material homogéneo (tierra), se
muestra una guía técnica para su diseño y posterior construcción, siendo un medio eficiente de
control de recursos hídricos en el secano interior del país.
3.2.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL DESARROLLO DE UN EMBALSE
La política fundamental a seguir, para el diseño y construcción de un embalse, es asegurando primero
que todo, el almacenamiento de agua necesaria para ser ocupada en la temporada de riego, luego
nos debemos preocupar del material con el que se construirá el terraplén, considerando los
parámetros de resistencia y compactación óptimos para
prevenir problemas estructurales al
momento de la construcción y a futuro. Por ultimo se debe realizar el cálculo y selección de obras de
toma, desagüe, vertedero, entre otros, adecuados para el buen funcionamiento de la obra. Todos
estos pasos se deben asociar a los costos que posee cada uno de ellos, por lo que es de suma
importancia llegar a una relación conveniente entre calidad y precio.
3.2.1. Conformidad de los objetivos
Se debe analizar la existencia de una cuenca que satisfaga la necesidad de almacenamiento de agua,
la que debe ubicarse cerca de los beneficiarios y a una altitud en que se pueda aprovechar la fuerza
de gravedad, para conducir el recurso hasta cada sector de riego.
3.2.2. Condiciones sociales
Aunque exista un lugar físico que cumpla las condiciones para la construcción de un embalse, es
necesario realizar un estudio acabado de los posibles cambios medioambientales que se puedan
generar y discutirlos con los propietarios y personas que habitan en las cercanías de la obra.
3.2.3. Condiciones geológicas y topográficas
Las características físicas y topográficas del lugar en que se construirá el embalse, es un factor que
se debe estudiar globalmente, incluyendo rasgos tales como pendientes longitudinales del valle,
inclinaciones, la forma de corte del valle, entre otras, debido a que cada caso en si posee una
particularidad propia. Como ejemplo a esta situación se puede mencionar que lo ideal para la
construcción de un embalse es que sea realizado en un valle ancho de pendiente suave, pero si
ocurre lo contrario a lo descrito, es decir, un valle estrecho y largo, quizás sea menos apropiado, pero
el terraplén a construir será mucho menor y por ende los costos bajaran considerablemente.
En general la construcción de una presa es deseable que se realice en un lugar cuya base sea rocosa
o poco permeable, con escasos sedimentos en el área de inundación y pocas rupturas en las laderas
del depósito, las que pueden ser sinónimo de fugas de agua.
3.3 ESTUDIOS Y PLANIFICACIÓN
3.3.1 Conceptos fundamentales
Los embalses cuya fuente de almacenamiento de agua provengan de las lluvias invernales, deben ser
capaces de acumular suficiente recurso para suplir los requerimientos durante la temporada de
sequía en verano, lo que implica que estas construcciones sean de gran envergadura y de altos
costos, por lo que debe existir una planificación adecuada en el uso del agua, optimizando al máximo
todos los recursos disponibles, además se debe tener muy presente los riegos que involucra la
construcción de estas obras por la variable meteorológica, fluctuando las precipitaciones año a año,
de aquí nace la inquietud de realizar un estudio hidrológico completo de la situación, para minimizar
este riesgo y construir una presa de acuerdo a los requerimientos hídricos de los beneficiarios y las
lluvias anuales en la zona.
3.3.2 Factores básicos a cumplir en el diseño de las presas de tierra
3.3.2.1. Factores básicos de diseño
A- La función principal de una presa de tierra es almacenar el agua necesaria para suplir los
requerimientos hídricos en los meses de sequía.
B- Debe ser una obra estructuralmente segura.
C- Debe ser una obra de fácil construcción y económica.
D- Debe ser de fácil mantenimiento y limpieza después de su construcción.
E- No debe interferir ni afectar el medio ambiente en que se construirá.
El factor A es el principal a considerar al momento de diseñar, mientras los factores B, C, D son
requerimientos generales en el diseño y por ultimo el factor E es la medida preocupada del
medioambiente en que se realizará la obra.
Para cumplir los factores antes mencionados, es necesario poder diseñar de forma adecuada cada
parte de la presa. En la figura 3.1. se detalla cada parte y el tipo de diseño que se puede realizar,
dependiendo de las condiciones físicas, económicas y el criterio del ingeniero a cargo.
Presa
Presa homogénea
Presa con núcleo inclinado
Presa con núcleo central
Presa con pantalla superficial
Presa con pantalla inyectada
Conducto inclinado de toma de agua
Torre de toma de agua
Toma
Canal/conducto de transmisión
Presa de tierra
Vertedero de canal entrada
Vertedero de tipo desbordante
Vertedero de pozo
Vertedero
Canal/conducto de transmisión
Disipador de energía
Otras
estructuras
Compuesta de limpia
Dique para sedimentación
Mejoramiento para seguridad
Figura 3.1. Partes de una presa.
3.3.3 Estudios necesarios para la construcción de una presa de tierra
Los estudios realizados para ver la factibilidad de construir una presa, deberán considerar: 1) la
planificación para el uso del agua de la presa, 2) Se debe obtener la información necesaria para
diseño y construcción de cada estructura. 3) Esta información debe ser recavada y analizada de una
forma precisa y con argumentos científicos.
Los estudios necesarios son:
3.3.3.1. Mediciones de los detalles
Primero se debe elaborar un mapa topográfico en detalle del lugar físico en que se emplazará la presa,
en el se podrá dibujar y medir los volúmenes de tierra a mover para la construcción del muro
contenedor o terraplén, en este plano se podrá designar el lugar mas apropiado para ejecutar la obra,
el que debe verificar cada uno de los factores básicos de diseño explicados anteriormente, sobre todo
que el volumen de acumulación sea el necesario para cumplir con la planificación de uso del agua .
Después de elegir el lugar mas apropiado para la construcción del muro de contención, es preciso
diseñar y dibujar en el plano los pormenores de la presa, mencionados en la figura 1 (obra de toma,
desague, vertedero, compuertas), con las vistas necesarias para ejecutar la obra y poder realizar una
cubicación adecuada de los materiales a emplear con los respectivos costos de la construcción.
3.3.3.2. Análisis geológico y estructural del suelo
Se debe analizar el suelo en que se construirá la presa y proceder a investigar si tiene problemas
estructurales para instalar los cimientos de la obra, además es de suma importancia, saber cual es el
tipo de suelo con que se edificara el terraplén para determinar si se debe utilizar algún revestimiento
o si es necesario el agregar otro tipo de tierra para aumentar la resistencia e impermeabilidad. La
figura 3.2. muestra la clasificación de los suelos por textura, según el Ministerio de Agricultura de los
Estados Unidos.
El triángulo determina el nombre que se debe usar para cada tipo de suelo, en relación a las
cantidades porcentuales de arcilla, limo y arena que contenga en su composición, definiéndose como
arcilla todas las partículas finas con diámetros menores a 0.002 mm, Limo como las partículas con
diámetros entre 0.002 mm - 0.05 mm y las arenas son aquellas partículas cuyo diámetro fluctúa entre
0.05 - 2 mm.
Arcilla
100
10
90
20
rce
Archilla
40
Po
o
im
el
50
50
Limo
Arcilloso
Arcilla
30
je d
nta
nta
je d
30
70
60
40
Po
ea
rci
lla
80
rce
P or cen t ajes
de
ar cilla
(par t ícu la s
in fer ior es a 0.00 2, m m ), lim o (par t ícu la s
de 0.0 02 a 0.05 m m ), y ar en a (par t ícu la s
de 0.05 a 2.0 m m ) de las clas es básicas d e
t ext u r a
Arenosa
Migajón
arcilloso
Migajón
Areno-arcilloso
60
Arena
migajonosa
70
80
20
10
Arena
Arena
100
Arena
migajonosa
90
80
Migajón
Arenoso
Mihajón
Migajón
limoso
90
Limo
70
60
50
40
30
20
10
100
Limo
Porcentaje de arena
Figura 3.2.
Diagrama triangular para la clasificación de suelos por texturas. (U.S. Soil
Conservation Service)
3.3.3.3. Datos meteorológicos
Se deben analizar los datos meteorológicos del sector en estudio, de acuerdo a los antecedentes de
estaciones representativas del lugar, o realizando transposición de caudales si fuera el caso. Este es
un paso muy importante para el diseño, por lo que entre mas datos, mejor será el análisis, no
pudiendo ser menor a 10 años la información recabada.
3.3.3.4. Estudios y contenidos del plan
Basándose en los datos investigados y de acuerdo al lugar en que se construirá el embalse, es
necesario estudiar algunos valores propios del sector, para conseguir una planificación correcta del
uso de agua y un diseño adecuado del embalse. Estos datos o valores se señalan y explican a
continuación, en referencia al sector de San José, comuna de Ninhue.
A- Cálculo de la precipitación de diseño
Para elaborar el plan de utilización de aguas del embalse, es necesario determinar una precipitación
conservadora, la que asegure una programación correcta del recurso en el tiempo. En este caso se
recomienda usar como periodo de retorno 10 años, cifra normal para la planificación de riego, es decir,
se emplea la precipitación anual más débil o con mayor sequía que ocurre una vez cada diez años.
Esta precipitación se calcula estadísticamente en base a datos recopilados, representativos de la
zona en análisis.
El cuadro 3.1. muestra la precipitación que ocurre para diferentes periodos de retorno, obtenidas a
partir de informaciones recientes de la estación meteorológica ubicada en el sector de San Agustín de
Puñual, comuna de Ninhue. En la presente zona se usará como precipitación para la planificación del
uso del agua, los 465 mm anuales que ocurren una vez cada diez años, como se muestra a
continuación.
Cuadro 3.1. Precipitación por probabilidad.
B- Estimación de la evaporación.
La evaporación y las fugas, son las perdidas mas relevantes que afectan la cantidad de agua
almacenada en una presa, de esta forma es posible pensar que a mayor evaporación mayor será el
volumen a embalsar para el cumplimiento de los requerimientos hídricos del programa de riego. En
esta zona la evaporación anual es aproximadamente 1100 mm, parámetro muy importante a
considerar en el diseño, ya que, aunque se eleve la altura de la presa del embalse y se amplié el área
de estancamiento, existe la posibilidad de que no aumenten estos recursos realmente. Por lo tanto,
para la selección de la localización de una presa es preciso asegurar la profundidad de agua
necesaria, considerando la cantidad de evaporación y el costo de construcción.
C- Cálculo del coeficiente de escurrimiento
Para realizar un buen diseño de la presa, se debe tener en consideración, que no toda el agua
proveniente de las precipitaciones escurre hasta el área de inundación, lo que sucede esencialmente
por la infiltración de esta, al avanzar en la superficie del suelo. En el sector de San José, el coeficiente
de escurrimiento llega a ser un 65% de las precipitaciones, entre los meses de mayor cantidad de
lluvias (Mayo a Julio), pero fuera de estos meses este valor baja drásticamente por la sequedad del
terreno y la disminución de las precipitaciones.
D- Requerimientos hídricos.
La cantidad de agua necesaria para suplir los requerimientos hídricos de los cultivos considerados en
la planificación del riego, es la base para determinar el volumen de la obra. El plan de riego se debe
determinar para cada situación en particular, contemplando los cultivos y sus necesidades, datos
agronómicos, como son el marco de plantación, porcentaje de sombreamiénto entre otros (Cuadro
3.2).
Cuadro 3.2. Muestra la cantidad de agua necesaria para algunos cultivos, en San José Ninhue.
Cultivo
Viñas
Olivos
Psitachos
Hortaliza
Requerimiento de Agua
Plantas por Temporada
lit/día/planta
hectárea
de riego
octubre
enero
1.41
2.51
8000
oct-mar
20.6
36.8
833
oct-mar
74.5
132.9
400
oct-mar
1.54
0.86
33333
oct-mar
Riego
3
(m /ha)
2879
4399
7626
7382
3.4 DISEÑO
3.4.1 Diseño de la presa
Las presas del tipo homogéneo están compuestas de un solo material o tipo de tierra (excluyendo la
protección de los muros). El material con que se construye la presa debe ser suficientemente
impermeable, formando una barrea efectiva contra el paso del agua y debe poseer taludes
relativamente tendidos para logran una estabilidad adecuada del terraplén. Ambos taludes deben ser
lo suficientemente inclinados y compactados para resistir la licuación de la tierra del muro, evitando
problemas estructurales. En una sección completamente homogénea, es inevitable que las
filtraciones emerjan en el talud de aguas abajo, cualquiera que sea la impermeabilidad del suelo. Si el
nivel del agua en el área de inundación se mantiene elevado por un tiempo suficientemente largo, el
talud de aguas abajo, eventualmente será afectado por las filtraciones a una altura aproximada de un
tercio de la altura del agua, como se muestra en la Figura 3.3, Foto 3.1. y Foto 3.2.
Hace tiempo atrás era muy común construir presas de material homogéneo, pero estas se han
reemplazado por presas de sección homogénea modificada, en la que pequeñas cantidades de
materiales impermeables, cuidadosamente situadas,
controlan las filtraciones de manera que
permiten taludes mucho más inclinados. El efecto del drenaje en el talón de aguas abajo en el
terraplén se muestra en la Figura 3.4.
B>1m
Superficie del agua del vaso
h>0.5m
H =4m
n1
h
n2
1,0
1,0
h/3
Zanja de dentellón
Cimentación impermeable
Superficie de terreno original
Figura 3.3 Presa completamente homogénea.
Foto 3.1. Cimientos de una presa.
Foto 3.2. Construcción del muro.
Superficie del agua del vaso
Limite superior de las filtraciones
Talón de enrocamiento
Cimentación impermeable
Zanja de dentellón
(1) Con talón de Roca
Superficie del agua del vaso
Limite superior de las filtraciones
Filtro para drenaje
Cimentación impermeable
Zanja de dentellón
(2) Con filtro para drenaje
Figura 3.4. Presa homogénea modificada.
3.4.2.
Sección de la presa
El talud de aguas arriba de la presa, puede variar entre un rango de 2:1 a uno tan tendido como 4:1,
considerando que a pendientes mas suaves, mayor será la estabilidad, en perjuicio de los costos, las
medidas mas comunes para taludes en contacto con el agua, varían entre 2.5:1 a 3:1. La intención de
implementar taludes tendidos es eliminar protecciones impermeables costosas. A menudo, se
construyen bermas colocadas a una elevación ligeramente inferior al punto máximo de altura que
alcanza el agua, para formar una base de protección del talud de aguas arriba. Al diseñar el talud de
aguas arriba, con frecuencia se aumenta su pendiente sobre la elevación máxima del agua a
almacenar, debido a que en esta zona, al no estar en contacto con el agua, la estabilidad es mayor y
de esta forma se reduce el volumen tierra o material ocupado, disminuyendo los costos de movimiento
y compactación.
Las pendientes utilizadas comúnmente para los taludes de aguas a bajo de la presas de tierra, son de
2:1, cuando la presa lleva una zona impermeable en el talón y de 2.5:1 cuando el terraplén es
impermeable. Estos taludes son estables si los suelos ocupados son aptos para la construcción de
este tipo de obras y cuando se proyecta implementar un drenaje en el talón de aguas abajo del
terraplén, lo que implica que el muro nunca se saturara por las filtraciones.
Los taludes recomendados para las presas homogéneas de tierra se muestran en el cuadro 3.3, tanto
para las presas reguladoras como para las de almacenamiento en condiciones de desembalse rápido
o lento. Cuando se da más de una clasificación de suelos para un grupo de taludes, es una indicación
que la presa se puede construir con esos taludes, usando cualquiera de estos suelos o una
combinación de los mismos.
Cuadro 3.3. Taludes recomendados para las presas de tierra homogénea.
Caso
A
B
Tipo
Propósito
Homogénea u
Regulación o
homogénea
almacenamiento
modificada
Homogénea
modificada
Almacenamiento
Sujetas a
desembalses
rápidos
Clasificación de los
suelos
GW, GP, SW , SP
No
Sí
Talud de aguas
arriba
Talud de aguas
abajo
n1 : 1,0
n2 : 1,0
Permeable, no adecuado
GC, GM, SC, SM
2,5 : 1,0
2,0 : 1,0
CL, ML
3,0 : 1,0
2,5 : 1,0
CH, MH
3,5 : 1,0
2,5 : 1,0
Permeable, no adecuado
GW, GP, SW , SP
GC, GM, SC, SM
3,0 : 1,0
2,0 : 1,0
CL, ML
3,5 : 1,0
2,5 : 1,0
CH, MH
4,0 : 1,0
2,5 : 1,0
1
Velocidades de desembalse de 6 plg o más después de periodos prolongados de almacenamiento a
niveles elevados en el vaso.
2
Los suelos OL y OH no se recomiendan para las porciones mayores de las presas de tierra homogéneas.
Los suelos Pt son inadecuados.
3.4.3
Métodos de tratamiento de las cimentaciones de grava y de arena
3.4.3.1. Generalidades
En la construcción del muro de contención o terraplén, se pueden utilizar varios métodos de
control de las filtraciones de agua, las que dan la forma a la cimentación con respecto a su estabilidad
contra la fuerza de infiltración, pudiéndose mencionar los dentellones de zanja, las ataguías, las
cortinas de pilotes o alguna combinación de estos métodos. Con este mismo objetivo también se ha
utilizado colchones de material impermeable, colocados estratégicamente en el talón de aguas arriba
del muro, como también es posible situar este colchón en el talón de aguas abajo del muro donde
tiende a salir el agua infiltrada. El propósito de emplear estos colchones impermeables es permitir el
paso libre del flujo de agua, disipando las presiones de esta, sin que se altere la estructura de la
cimentación ni se pierdan las partículas finas. Existen otras formas de tratar las infiltraciones, como es
la Implementación de pozos de drenaje, los que se usan para disminuir las presiones en los estratos
permeables del muro, debajo de los colchones impermeables, evitando los posibles reventones aguas
abajo de la presa.
3.4.3.2.
Dentellones de tierra.
Los dentellones de tierra se clasifican en dos grupos en general, los que se definen a continuación:
•
Dentellones de costados inclinados: Como su nombre lo indica, son aquellos dentellones cuyas
paredes poseen un grado de inclinación con respecto a la vertical. Este tipo de dentellones se
pueden excavar con palas mecánicas o dragas giratorias y para el relleno se debe recurrir a
materiales impermeables, compactados de la misma forma que el muro de contención.
•
Dentellones de costados verticales: Este tipo de dentellón posee paredes verticales, cuya zanja
es hecha comúnmente a mano o con excavadoras para zanjas en escalones o rebajes
En general los dentellones de paredes verticales son menos económicos que los de paredes
inclinadas, debido esencialmente al volumen de tierra a mover en la excavación y luego en el relleno
y compactación.
Los dentellones de tierra deben localizarse entre la pared que se encuentra en contacto con el agua y
a una distancia regular de la línea central de la presa, esta distancia no puede superar el punto en que
el material impermeable de la presa, arriba del dentellón, tenga una resistencia a la filtración cuando
menos igual a la ofrecida por el mismo dentellón. La línea central del dentellón, se debe mantener
paralela a la línea central de la presa a través del fondo del cañón o piso del valle, pero debe
converger hacia la línea central de la presa al prolongarse hacia los atraques, con el objeto de
mantener el espesor necesario del terraplén.
Siempre que sea económicamente posible, se deben cortar las filtraciones de una cimentación
permeable, por medio de un dentellón que llegue hasta la roca fija u otro estrato impermeable. Este es
el método más efectivo para controlar el volumen de filtraciones y de asegurarse de que no se
experimentarán dificultades por tubificaciones a través de la cimentación o por sub-presiones en el
talón de aguas abajo de la presa.
3.4.4 Estudio de materiales de una presa
La tierra utilizada para la construcción del muro contenedor o terraplén de una presa, debe poseer
características de impermeabilidad y resistencia al corte adecuada al ser compactada, obteniendo
como resultado una obra segura y perdurable en el tiempo. Para lo anteriormente destacado, es
necesario analizar la idoneidad de la tierra a ocupar para la construcción del terraplén, lo que se
comprueba con los siguientes estudios.
3.4.4.1. Granulometría
Debe poseer una distribución granulométrica que permita tener alta densidad y que contenga porción
granulométrica fina adecuadamente.
3.4.4.2. Límite de consistencia
Debe poseer una plasticidad adecuada.
3.4.4.2. Pesos específicos
La densidad relativa de los materiales cuando es inferior a 2.6, puede significar que contenga
substancias o elementos orgánicos indeseables, ya que afectan la resistencia de la obra a futuro.
3.4.4.3.Compactación, Proctor modificado.
A través de este ensayo se determina la resistencia del material y su nivel de trabajabilidad o
manipulación.
3.4.4.4. Permeabilidad
La permeabilidad o en su defecto la impermeabilidad del material puede determinarse de acuerdo al
tipo de suelo en estudio como se ve en los cuadros 3.4 y 3.5.
Cuadro 3.4.
Propiedades y adecuación de materiales para presa.
Propietario importnte
Adecuación de materiales
Resistencia al corte
Compresibilidad a
Facilidad para
a saturación
saturación después trabajo durante de
después
compactación
terraplen
compactación
Clasificación
de símbolo
Permeabilidad
después
compactación
GW
Permeable
Superior
Casi negativo
Superior
-
GP
Muy permeable
Bien
Casi negativo
Bien
GM
Semi-permeable impermeable
Bien
Casi negativo
GC
Impermeable
Bien - satisfacción
SW
Permeable
SP
Para presa
Zona
permeable
Filtración
serio
Filtración
ignorado
-
1
-
1
-
-
2
-
3
Bien
2
4
-
1
4
Muy pequeño
Bien
1
1
-
2
6
Superior
Casi negativo
Superior
-
-
3*
-
2
Permeable
Bien
Muy pequeño
Satisfacción
-
-
4*
-
5
SM
Semi-permeable impermeable
Bien
Pequeño
Satisfacción
4
5
-
3
7
SC
Impermeable
Bien - satisfacción
Pequeño
Bien
3
2
-
4
8
ML
Semi-permeable impermeable
Satisfacción
Medio
Satisfacción
6
6
-
6
9
CL
Impermeable
Satisfacción
Medio
Bien - satisfacción
5
3
-
5
10
Insatisfacción
Medio
Satisfacción
8
8
-
7
11
Satisfacción insatisfacción
Grande
Insatisfacción
9
9
-
8
12
OL
MH
Semi-permeable impermeable
Semi-permeable impermeable
Presa
Zona
homog énea impermeable
Para cimentación
CH
Impermeable
Insatisfacción
Grande
Insatisfacción
7
7
-
9
13
OH
Impermeable
Insatisfacción
Grande
Insatisfacción
10
10
-
10
14
-
-
-
-
-
-
-
-
-
P‚”
Notas
Clasificación Se clasifica la tierra según el tamaño de partícula de suelo en G (grava), S (arena), M (limo) y O (orgánico), y en cuanto al suelo de grano grueso (G, S)
simbología se subdivide seg ún la combinación de granulometría en W (bueno), P (malo), M (con limo), y C (con archillo), y en relaci ón al suelo de grano fino (M, O)
en H (plasticidad alta) y L (plasticidad baja), combinando dos símbolos. Pt indica turba.
* : Materiales con alto contenido de grava
En la columna "Adecuación de materiales", el numero "1" representa alta adecuación, y mayor numero representa baja adecucación
Cuadro 3.5.
Propiedades de los suelos.
Compactación Proctor
Densidad
Proporción
Relación de
máxima del
Grupo de
óptima de
huecos
Resis tencia a
material
clasificac ión
agua
la sacavación
s eco en
del suelo
porcentaje
libras
γdmax
wopt(%)
e0
(kN/m3)
GW
>19.1
<13.3
*
1 -8
Alto
GP
>17.6
<12.4
*
Alto
m̀edio
GM
>18.3
<14.5
*
Alto
m̀edio
GC
>18.4
<14.7
*
SW
19.1 ± 0.8
13.3 ± 2.5
0.37 ± *
SP
17.6 ± 0.3
12.4 ± 1.0
0.50 ± 0.03
SM
18.3 ± 0.2
14.5 ± 0.4
0.48 ± 0.02
Medio
SM-SC
19.1 ± 0.2
12.8 ± 0.5
0.41 ± 0.02
-
Aloa
*
*
φ iK
)
>38
Muy alto
*
Bien
<0.8
*
Bien
Permeable `
muy permeable
*
*
>36
Alto
Muy fácil
Adecuada
para zona
permeable
Semipermeable
*
*
>34
Alto
Muy fácil
Adecuada
para zona
impermeable
<1.2
<3.0
Bien
Zanja
interceptadora
en pie detalud
1 -8
1̀ -5
@
i@
>3 -7)
Impermeable
*
*
>31
Alto
Muy fácil
Adecuada
para zona
impermeable
<1.2
<2.4
Bien
No neceario
Permeable
40±4
*
38±1
Muy alto
Muy fácil
Adecuada
para zona
permeable
1.4±*
*
Bien
Permeable `
semi-permeable
23±6
*
36±1
Alto
Fácil
m̀edio
Adecuada
para zona
permeable
0.8±0.3
*
Bien
m̀alo
Semipermeable `
impermeable
52±6
20±7
34±1
Alto
Fácil
m̀edio
Adecuada
para zona
impermeable
1.2±0.1
3.0±0.4
Bien
m̀alo
-
51±22
15±6
33±3
-
-
1.4±0.3
2.9±1.0
m̀edio
Adecuada
para zona
impermeable
1.2±0.2
2.4±0.5
Adecuada
para zona
impermeable
1.5±0.2
2.6±0.3
Malo
Zanja
interceptadora
en pie detalud
-
-
5-4
@
5̀-2 i @
* )@
5 -5
5̀ -1
1 -7
@
i
7.2 -4)
5̀ -1 i
2 .7 -2±1.3 -2)
i
8 .0 -7±6.0 -7)
@@@
-
-
31±3
Alto `
medio
0.63 ± 0.02 Bajo
m̀u bajo 1 -8
1̀ -5
@
5.9 -7±2.3 -7)
i
Impermeable
68±10
9±*
32±2
Medio `
bajo
Medio m̀uy
difícil
0.54 ± 0.03
-
i
1 .3 -7±0.7 -7)
-
64±17
22±*
32±3
-
-
ML-CL
17.5 ± 0.2
16.8 ± 0.7
@@@
1 -8
CL
17.3 ± 0.2
17.3 ± 0.3
0.56 ± 0.01
Alto
OL
*
*
*
Medio
1.15 ± 0.12
Medio
àlto
CH
15.0 ± 0.8
25.5 ± 1.2
0.80 ± 0.04
Muy alto
OH
*
*
*
-
1̀ -6
-9
1 -10
1̀
@
i
8.0 -8±3.0 -8)
@
1-5
1
Muro
interceptador
completo
i@
>3 -7)
11±6
19.2 ± 0.7
Medida para
permeabilidad
@
76±15
16.5 ± 0.2
Resistencia
<1.4
Impermeable
ML
350
(kN/m2)
1̀ -4
Bajo m̀uy
bajo
Alto
140
(kN/m2)
Adecuada
para zona
permeable
3.0 -7±2.0 -7)
i
0.48 ± 0.01
Adecuación para cimentación
Muy fácil
@
14.7 ± 0.4
36.3 ± 3.2
Csat
(k N/m2)
5̀ -5
18.4 ± 0.2
13.1 ± 0.6
Permeable
C0
(kN/m2)
Compresibilidad
1 -7
m̀edio
b̀ajo
i
2.7 -2±1.3 -2)
@
1̀+1 i
6 .4 -2±3.4 -2)
5 -3
Muy alto
@
1̀ -1
Adecuación
Dificultad
para
/facilidad para
materiales de
construcción
presa (zona)
Resistenc ia al corte
Permeabilidad
1 -8
SC
MH
Permeabilidad,
coeficiente k(cm/s),
alcance (promedio)
1̀-5 i @
* )@
-7 @
1̀ -8
-7
-7
i
1.6 ±1.0 )
@
5.0 -5±5.0 -8)
i
@@@
* @
)
i@
-
1.0±0.2
2.2±0.0
1.4±0.2
2.6±0.4
Bien
m̀alo
No neceario
Impermeable
88±10
13±*
28±2
Medio
Fácil
m̀edio
Adecuada
para zona
impermeable
Impermeable
*
*
*
Bajo
Medio
d̀ifíc il
Inadecuada
*
*
Malo
No neceario
Bajo
Difícil m̀uy
difícil
Inadecuada
2.0±1.2
3.8±0.8
Malo
No neceario
Muy dicícil
Adecuada
para zona
impermeable
2.6±1.3
3.9±1.5
Malo
No neceario
-
Inadecuada
*
*
Malo
No neceario
Muy
impermeable
Muy
impermeable
73±30
20±1
25±2
104±34
11±6
19±5
*
*
*
Majo `
medio
Compactación
Uso imposible
imposible
Pt
Nota
El signo ± indica límite de confianza del 90% del valor medio.
* Denota datos insuficientes, > es mayor que, < es menor que.
C0 : El Valor de contenido de agua óptima; Csat : El Valor de agua saturada. (1 -3
Fácil
-
Muro
interceptador
imcompleto
1̀ -1) en permeabilidad s on abreviatras de (1×10 -3
1̀×10- 1)
Bien
m̀alo
Debe quitar a
cimentación
No neceario
3.4.5. Diseño de un vertedero
El vertedero es una estructura de seguridad para el embalse, la función de esta obra es evacuar
los excedentes de agua que entran al depósito, debido a lluvias fuertes ocurridas en la temporada
invernal
Qp=
1 ×r ×A
e
3,6
Ecuación 1
donde :
Qp= Caudal máximo de escurrimiento (m3/s)
A = Área de captación en km 2
r e = Es la intensidad media efectiva de las precipitaciones en mm/hr durante el período de
concentración de flujo.
La fórmula racional se ha utilizado común y convenientemente debido a su simplicidad para calcular el
máximo escurrimiento.
Conceptualmente la formula racional es entendida como una formula para el cálculo de la máxima
descarga de lluvia, durante el tiempo de concentración, el que se define como el tiempo en que se
demora una gota de agua en viajar desde el punto más lejano del embalse (o cuenca) hasta el
desague.
Esta ecuación no presenta problemas si se asume que la lluvia es igual en cualquier punto de la
cuenca.
Generalmente se aplican los siguientes procedimientos para obtener el escurrimiento máximo (Qp).
1) Determinación del área de captación (A),
2) Determinación del período de retorno estándar y precipitación estándar,
3) Estimación del tiempo de concentración de flujo (Tc)
4) Estimación del coeficiente de máximo escurrimiento (re)
5) Cálculo del máximo escurrimiento (Qp).
La tasa máxima de escurrimiento se determina con el supuesto de que el punto máximo se produce
por las intensidades de precipitación media máxima dentro del tiempo de concentración del flujo. Por
lo tanto, las intensidades medias de precipitación durante el tiempo de concentración de un flujo
deben calcularse anticipadamente.
La relación existente entre la duración t (min) y el máximo de las intensidades de precipitación media
en la duración I t (mm/hr), generalmente se puede expresar como sigue:
It=
a
n
(t +b)
Ecuación 2
Donde a, b y n son constantes que dependen de la intensidad y la localidad. Generalmente se aplican
varios tipos de ecuaciones tales como el tipo Talbot (n=1), el Tipo Sherman (b=0) y el tipo Hisano
(n=1/2). Para el tipo Talbot y el Hisano, t es aplicable a 120min o menos mientras que para el tipo
Sherman t se aplica a 60 min o más.
Para el diseño de un vertedero en la presente zona, se emplea la formula Talbot (n=1), debido a que
el tiempo de concentración es pequeño, luego para el cálculo de las constantes a y b, se utiliza una
lluvia de una y dos horas de duración con un período de retorno de 100 años, estos valores se
encuentran en el Manual de Carreteras del Ministerio de Obras Públicas para cada zona del país.
El tiempo de concentración, se define como el tiempo que se demora una gota de agua en viajar
desde el punto más lejano de la cuenca hasta el desaguadero.
La fórmula generalmente aplicada en los EEUU para la estimación del tiempo de concentración es la
de Kirpich, la que se muestra a continuación:
0,77
Tc=0,02 × L
×S
-0.385
3
0,385
= 0,02× (L /H)
Ecuación 3
Donde
Tc = es el tiempo de concentración de flujo en min.,
L = es la ruta más larga de flujo de agua lluvia en m,
H = es la diferencia existente entre la cota mas alta y la mas baja de la cuenca en estudio
S = (L/H) es la pendiente media del flujo de agua.
Por medio de esta ecuación se obtiene el tiempo de concentración, valor que se remplaza en la
ecuación 2, para determinar la intensidad de la precipitación I t. (mm/hr)
3.4.5.1. Cálculo de la intensidad de lluvia efectiva.
El coeficiente máximo de escurrimiento de agua (fp), es definido por la relación existente entre la
intensidad de lluvia efectiva (re) y la intensidad de lluvia durante el
re=fp× r
donde
tiempo de concentración (It=r).
fp = coeficiente máximo de escurrimiento,
r e = Es la intensidad media efectiva de las precipitaciones en mm/hr durante el período de
concentración del flujo.
El coeficiente de escurrimiento máximo, varía con las condiciones geológicas, superficie del terreno,
humedad, entre otros parámetros. El valor es determinado resolviendo inversamente la formula
racional la que muestra el caudal máximo de escurrimiento, Ecuación 1.
Como resultado del análisis sobre las situaciones reales de fp , en una cuenca pequeña del área de
San José Ninhue, se obtuvo el valor máximo de escurrimiento (87%), como se muestra en la Figura
3.5, y se calcula en el Cuadro 3.6.
3.5
3.5
En Canoa FP A=15ha
3
2.5
2.5
tc:Tiempo de concentración
de flujo
2
Qp:Punta de flujo
2
1.5
1.5
1
1
re: Intencidad media efectiva
0.5
0.5
0
0
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
Tiem po
12:00
13:00
14:00
Precipitación
Lluvi
a
Escrim iento
Figura 3.5. Pluviométrico y gráfico hidráulico en San José.
15:00
16:00
Escrrimiento
Escurrimiemto(mm/10min)
Precipitación(mm/10min)
3
Cuadro 3.6. Muestra el cálculo del coeficiente máximo de escurrimiento.
No.
Fecha
1
31-May
2002
2
28-Aug
2001
3
22-Jul
2002
4
20-Jul
2001
5
16-Jul
2001
6
23-Jul
2002
7
23-Jul
2002
8
15-May
2002
9
23-Jul
2002
10
20-Jul
2002
11
25-Aug
2001
12
26-May
2002
13
23-Jul
2002
14
6-Jun
2002
15
20-Jul
2001
16
7-Jun
2002
17
26-Jul
2002
18
29-Jul
2002
19
27-Jun
2002
20
26 2̀7-May
2001
21
29-Jul
2002
22
27-Sep
2001
23
25 2̀6-May
2001
24
27-Sep
2001
Nota : Lugar : Canoa FP
La intensidad
Coeficiente
Intensidad de
Tasa máxima Tiempo de
Preciptación
media
de tasa
precipitación
de
concentración
durante tp
efectiva de la
máxima de
durante tp
escurrimiento
del flujo
precipitación
escurrimiento
re
Qp
R=Σ‚’
r=R/‚”
‚”
‚
‚*10
‚†
‚ =re/r
(mm/10min)
(m3/s)
(min)
(mm)
(mm/10min)
%
1.19
0.30
150
26.0
1.73
69%
1.08
0.27
10
1.6
1.60
68%
1.04
0.26
70
9.4
1.34
77%
0.73
0.18
90
7.6
0.84
87%
0.65
0.16
80
8.2
1.03
63%
0.55
0.14
60
3.8
0.63
87%
0.55
0.14
50
3.4
0.68
81%
0.52
0.13
60
16.8
2.80
19%
0.52
0.13
80
5.4
0.68
78%
0.40
0.10
120
7.8
0.65
62%
0.37
0.09
160
18.0
1.13
33%
0.33
0.08
40
9.2
2.30
14%
0.30
0.08
40
3.6
0.90
33%
0.26
0.07
110
6.4
0.58
45%
0.20
0.05
70
3.4
0.49
42%
0.18
0.04
60
3.4
0.57
32%
0.17
0.04
60
6.6
1.10
16%
0.16
0.04
70
3.8
0.54
29%
0.13
0.03
130
11.6
0.89
15%
0.10
0.03
150
6.3
0.42
24%
0.09
0.02
100
5.0
0.50
18%
0.02
0.00
20
1.2
0.60
3%
0.01
0.00
300
13.6
0.45
3%
0.01
0.00
160
8.0
0.50
1%
3.4.6 Protección del talud de aguas abajo
El talud de aguas abajo de una presa homogénea, se debe proteger contra la erosión y el
escurrimiento pluvial, este resguardo contra las inclemencias del tiempo, se realiza revistiendo el
muro con rocas, rodados o pasto, dependiendo de la situación particular de cada caso, es así, como
en lugares demasiado áridos se prefiere el recubrimiento con una capa de rocas de 12 plg de espesor
aproximado, a una cubierta vegetal, aunque el costo sea mayor. Si la elección después de analizar la
situación, fuese el revestimiento con cubierta vegetal, comúnmente pasto, este se debe elegir de
acuerdo al lugar y condiciones meteorológicas, considerando que la capa protectora debe ser lo mas
compacta y uniforme posible.
3.5
MANTENIMIENTO
3.5.1 Mantenimiento y control de las funciones
Para utilizar la presa en forma eficiente y por largo tiempo, es importante que exista un control y
mantención de la obra por parte de los usuarios, controlando las fugas de agua, reparando grietas
superficiales, tanto en el muro de contención como en la zona de inundación, reparando las obras de
toma ,desagüe y eliminando los sedimentos arrastrados por las precipitaciones y depositados en la
presa.
Si al realizar estudios preliminares se llega a la conclusión que existen muchos sedimentos
arrastrados por el agua, que entran al depósito, afectando esencialmente las funciones de
almacenamiento y la toma de agua, se deberá instalar barreras de contención de estos residuos o
estanques desarenadores, por ultimo una medida efectiva contra la erosión y evaporación excesiva
es reforestar alrededor del embalse, con especies típicas del lugar, para afecta r lo menos posible el
medio ambiente del sitio en que se encuentra la obra.
3.5.2 Recuperación de las funciones de un embalse
Cuando el embalse presenta problemas de funcionamiento, lo que va a ocurrir en algún momento, sin
lugar a dudas, es necesario tomar medidas tendientes a recuperar estas funciones por medio de
trabajos de reparación (Figura 3.6). A continuación, se presentan ejemplos de problemas comunes en
una presa y como reconocerlos.
3.5.2.1. Fugas desde la presa y otros
Las fugas de agua pueden generarse en cualquier punto, las mas comunes se presentan en los
límites de la presa con el lecho de fundación o con el terreno primitivo de las riberas, también son muy
frecuentes que ocurran, en las instalaciones transversales de la presa, como es el conducto de
transmisión u obra de toma, en el vertedero y en el desague. En los lugares donde se ven fugas
localizadas, la posibilidad de que ocurra una tubificación es alta, por lo cual es necesario tomar
medidas urgentes. Como límite tolerable a estas fugas existen varios criterios que permiten decidir el
momento para reparar.
a. Si la fuga de agua excede los 60 l/min por cada 100m de presa (cuando el coeficiente de
permeabilidad es mayor a 1×10 -3 cm/s y si el gradiente hidráulico es 1 y la profundidad de exudación
es de 1m.
b.
Si la capacidad de almacenamiento de agua, función esencial del embalse, ha disminuido
notablemente causando problemas para su utilización.
c. Si la cantidad de agua se reduce más de un 10% por mes, cuando el nivel del agua almacenada
debiera ser constante.
3.5.2.2. Grietas y deformaciones en la presa
Las fugas de agua ocasionan tubificación originando grietas en el muro. Existen varios tipos de
grietas, siendo la mayoría de ellas de alrededor de 3 a 5 cm de ancho, alcanzando rara vez los 15cm.
Cuando la sección de la presa está deformada más de un 5% en la proporción de la superficie original,
se necesita un estudio de reparación .
3.5.2.3. Falta de borde libre o revancha de la presa
En cuanto a la falta del borde libre, se planea bajar el nivel de inundación de diseño por medio del
mejoramiento de la función del vertedero, o simplemente realizar la sobre-elevación de la presa.
3.5.2.4. Inestabilidad de la presa
La reparación de la obra es apropiada cuando el muro se vea debilitado, ya sea el talud de aguas
arriba por el oleaje y el de aguas abajo por fugas, erosión, roturas en las obras de protección o
revestimiento, el ancho de la coronamiento sea insuficiente y cuando el cualquiera de los dos taludes
tenga una pendiente pronunciada, la que es sinónimo inequívoco de inestabilidad.
3.5.2.5. Ubicación de la línea de saturación
Cuando la línea de saturación se asome en el talud de aguas abajo a una ubicación relativamente alta,
también se necesita estudiar la reparación juzgando globalmente en consideración del volumen de la
fuga antes mencionado.
3.5.2.6. Caída de la función del vertedero o insuficiencia de la sección hidráulica transversal
La mayor causa del derrumbes de los embalses, es cuando se producen derrames de la presa debido
a la insuficiente capacidad de desague del vertedero, momento en que se debe reparar o recalcular,
para que cumpla su función.
3.5.2.7. Deterioro de las funciones de las instalaciones de toma de agua
Las instalaciones de toma de agua posee defectos en su funcionamiento generalmente por la rotura
del conducto de transmisión , lo que implica perdidas de agua, al igual que fallas en compuertas y
válvulas, debiendo ser reparadas.
3.5.2.8. Mal funcionamiento en los equipos de control de seguridad
En el caso de que los guinches de las compuertas, los instrumentos de medición enterrados en la
presa, los medidores de observación hidrológica, los dispositivos de eliminación de maderas flotantes,
o los equipos de alarma necesarios para garantizar la seguridad del embalse contra inundaciones,
tengan mal funcionamiento o fallas, implica urgentemente reparaciones.
Rotura en el pie
(a) Fuga
(c) Grieta / hoyo
(e) Falta de borde libre
Figura 3.6. Estados de la presa que necesitan reparaciones.
(b) Socavación
(d) Sección deformado
3.6 RESUMEN
El costo total referente a la construcción de un embalse, varía mucho según los materiales de
construcción ocupados y al tamaño de la obra. La comparación económica entre estas presas y los
pozos de poca profundidad, muestran una inversión inicial mucho mas baja en estos últimos, por ello,
es indispensable que después de la construcción de estas obras sean ocupadas eficientemente y por
mucho tiempo, amortizando los costos fijos incurridos en la construcción. Además del control y
mantenimiento adecuado por parte de los usuarios, deben realizarse trabajos de reforestación en la
zona, para minimizar los cambios medioambientales y prevenir la erosión del suelo, disminuyendo los
sedimentos en la zona de inundación. Se debe tener claro que un programa de utilización de aguas,
dependiente solamente de un embalse, es una decisión muy arriesgada, por lo tanto es importante
estudiar un programa de utilización de aguas donde se empleen además del embalse los pozos de
aguas subterráneas superficiales que se encuentren en el sector.
Para la realización de este tipo de construcciones, cada agricultor tiene diferentes condiciones
topográficas y fuentes de agua, por lo tanto cada diseño e instalación es única y particular.
3.7 BIBLIOGRAFÍA
Instituto Japonés de Riego y Drenaje, 1988. Manual de ingeniería en Riego y drenaje, Presa de Tierra.
Instituto Japonés de Riego y Drenaje. 1996. Manual de ingeniería en Riego y drenaje, Conservación
de Tierras Agrícolas.
Instituto Japonés de Riego y Drenaje, 1993. Manual de ingeniería en Riego y drenaje, Drenaje.
Kobayashi, T. 2002. Informe del Especialista en Construcción de embalse (Experto Corto plazo)
Lepe, José L. Diseño de presas pequeñas, Una publicación técnica de recursos hidráulicos.
Ministerio de Obras Públicas. 2001. Manual de carreteras, Volumen No. 2 Procedimiento de estudios
viales,
Oficina de Kinki Regional de Ministerio de Agricultura, Silvicultura y Pesquería. 1996. Construcción
y Mejoramiento de Presas de Tierra.
Okuda, Y. 2002. Informe del Especialista en Conservación de agua (Corto plazo)
Sociedad Japonesa de Ingeniería Agrícola, 2000. Guía para Diseño del Proyecto de Mejoramiento del
Suelo, Consolidación del Embalse.
CAPÍTULO 4
RECARGA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS EN EL SECANO DE NINHUE
Autores:
Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS
José Luis Arumi, Ing. Civil, PhD.
Luis Salgado S., Ing. Agrónomo, PhD.
Liubow González, Hidrogeologo, MS.
Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©
Consultores Técnicos:
John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD.
David Rupp, Forestry MSc.
RECARGA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS EN EL SECANO DE NINHUE
4.1
INTRODUCCIÓN
El Secano Interior de Chile, donde se ubica la cuenca San José, es una zona que se caracteriza
por la baja disponibilidad de agua, siendo este un aspecto relevante para el desarrollo de la zona.
Puesto que la principal fuente de agua corresponde a recursos subterráneos, en este estudio se
cuantificó la recarga para conocer su potencial en esta zona.
El estudio se realizó en la unidad vertiente oriental de la Cordillera de la Costa, en la provincia de
Ñuble, VIII región, Chile (Figura 4.1).
Figura 4.1. Plano de ubicación de la zona del estudio.
La zona se caracteriza por suelos graníticos con un alto nivel de degradación, lo que limita la
capacidad de infiltración y de retención de agua, afectando fuertemente la recarga de las aguas
subterráneas y la hidrología superficial.
En el área de estudio, el acuífero se recarga por la
infiltración del agua de lluvia, de modo que su régimen se relaciona estrechamente con los montos
pluviométricos anuales. Utilizando método de balance de cloro se han obtenido 27,4 mm/a de
infiltración neta (González et al., 1999).
El clima es de tipo mediterráneo marino, según clasificación de Papadakis (Del Pozo, 1999). Según
información meteorológica de la estación San Agustín de Puñual, perteneciente a la Dirección
General de Aguas, ubicada a unos 7 km del área del estudio, la precipitación media anual es de
814 mm/año (1993-2000), concentrada en los meses de invierno. Por otra parte, en los meses de
verano las temperaturas son elevadas y la evaporación potencial alcanza niveles de 5.79 mm/dia.
El clima es apto para diversos cultivos, tales como vides, pistachos, olivos y otros, los cuales se
ven limitados por la escasez del agua.
El estudio se realizó en dos sub-cuencas ubicadas dentro de la cuenca San José, en el secano
interior de la VIII región, en la comuna de Ninhue, donde se realizaron los balances hidrológicos a
nivel del suelo, cuantificando sus componentes: precipitación, evapotranspiración, escorrentía
superficial y percolación. Esta última puede ser considerada como la recarga de las aguas
subterráneas, parte de la cual es extraída con fines de consumo doméstico y, en menor escala,
para riego, mediante pozos noria. Se ha estimado que los pozos noria captarían menos de 1.5
mm/año en la cuenca San José (Pérez, 2001).
El balance hidrológico mensual se realizó utilizando una variación de la metodología de
Scozzafava (2001) quien propuso una combinación de las metodologías de Thornthwaite y Curva
Número para discriminar entre escurrimiento superficial e infiltración neta. Scozzafava simuló la
escorrentía utilizando el método de la Curva Número, mientras en este estudio la escorrentía
superficial correspondió a mediciones de campo.
Alternativamente a los balance hidrológicos se
realizaron estudios de recarga basados en las variaciones del nivel freático, determinando áreas de
acumulación que corresponden a las partes bajas, cercanas a los esteros.
El objetivo de este estudio fue realizar una estimación de la recarga por lluvia para cuantificar la
disponibilidad potencial de aguas subterráneas posibles de ser extraídas por pozos noria.
4.1.1. Antecedentes del Problema
Diversos factores tales como el clima, las características geológicas, el suelo y el nivel de
degradación antrópica existente en la zona del estudio influyen sobre la disponibilidad de agua, lo
que constituye un problema para sus habitantes. Actualmente las fuentes de captación de agua
son pozos noria de baja capacidad que permiten extraer en promedio 460 l/día.
Sin embargo es
posible una disponibilidad potencial de recursos hídricos subterráneos lo que haría posible
aumentar la cantidad de agua útil para consumo doméstico y riego, permitiendo mejorar la calidad
de vida de los agricultores.
En este estudio se estimó la disponibilidad potencial de agua subterránea, cuantificando la recarga,
paso previo a la toma de decisiones sobre construcción o mejoramiento de pozos noria.
4.1.2. Zona del Estudio
La cuenca San José (36° 24’ lat. Sur y 72° 30’ long. O) tiene una superficie de 10.57 km2 y dentro
de ella se seleccionaron dos sub-cuencas en las cuales se realizaron balances hidrológicos (Figura
4.2). En el Cuadro 4.1 se hace una caracterización física de las dos sub-cuencas analizadas y de
la cuenca San José. En el sector del estudio al igual que en las sub-cuencas existe una diversidad
de uso de suelos cuya distribución se presenta en la Figura 4.4 y Cuadro 4.2.
Cuadro 4.1. Caracterización física de las sub-cuencas 1 y 2.
Característica
Unidad
Sub-cuenca 1
Sub-cuenca 2
Cuenca San
José
Area
2
km
7.252
0.142
10.569
Perímetro
m
12,850
1,595
14,220
Elevación min.
m
55
95
42
Elevación max.
m
230
144
230
Longitud del cauce
km
3.830
0.530
5.440
m/m
0.0193
0.056
0.015
Km2
0.93
0.023
Principal
Pendiente del cauce
Principal
Zona de Acumulación
5970020 m N
Cond. Hidraulica Ks
4 - 10
S
#
11 - 38
39 - 149
S
#
#
S 150 - 258
S 259 - 514
#
Red Drenaje
T
$
Pozos Noria
Sub-cuenca 3
Sub-cuenca 2
Sub-cuenca 1
Cuenca San Jose
#
T#
$
T
$
T#
$
S
S
#$T#
S
#$T
S
$
T
T
$
T
$
S
#
$$
T
T
S
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T
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T
N
T
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$
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T
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$
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$
S
#
S
#
T#
$
T
$
T
$$
T
$
T
S
#
T
$
#$T
S
$
TT
$
5966207 m N
1
0
1 kilómetros
725094 m E
720777 m E
4. 2. Cuenca San José y sub-cuencas 1, 2 y 3, indicando ubicación de pozos noria y puntos
y red de drenaje.
4.2
MATERIALES Y MÉTODOS
4.2.1. Método del Balance Hidrológico
El balance hidrológico derivado de modificaciones del método Thornthwaite (Scozzafava, 2001) se
puede resumir en la siguiente ecuación:
θi = θi -1 + Pi – Ei - ETri - PERi
Donde θi y θi
–1
(1)
corresponden la humedad final del mes i e i-1, respectivamente; Pi es la
precipitación, Ei la escorrentía superficial, ETri la evapotranspiración real, y PERi la percolación.
Todas las variables durante el mes i (Or and Hanks, 1992 citado por Vela, 2001). La percolación
en este caso puede ser considerada como recarga directa, puesto que se asume que no existen
aportes externos de otra sub-cuencas ni de cursos de agua.
4.2.2. Evapotranspiración
La ETr se produce como la totalidad o parte de la evapotranspiración de cultivo (ETc),
dependiendo de la disponibilidad de agua en el suelo. La ETc utilizada en el balance se obtuvo
como una ponderación de las ETc considerando las áreas de cada uso de suelo (Cuadro 4.2). Los
usos de suelo de la zona son trigo, barbecho, pradera natural, forestal y cárcavas (consideradas
como forestal). La ETc ha sido utilizada en balances hidrológicos (Vela, 2001) estimándola para
diferentes cultivos a partir de coeficientes de cultivo Kc (Jara, 1998) y evapotranspiración de cultivo
de referencia ETo:
ETc = Kc * ETo
(2)
Cuadro 4.2. Distribución de uso de suelo en las sub-cuencas 1 y 2.
Sub-cuenca 1
Uso Suelo
Sub-cuenca 2
Area (m2)
%
Area (m2)
%
733,045
10
62,250
38
1,202,810
17
46,625
28
Barbecho
353,043
5
13,100
8
Trigo
744,484
10
13,100
8
4,146,220
57
26,200
16
72,521
1
2,500
2
7,252,123
100
163,750
100
Forestal
Forestal Carcava
Pradera Natural
Infraestructura
Total
El punto crítico en los métodos de balance es la estimación de ETo. El método de PenmanMontheith es considerado uno de los más adecuados para este tipo de estudios (Jensen et al,
1990, citado por González de Aguilar, 1997).
Además se consideró la estimación de ETc con restricción de humedad en el suelo en forma
mensual (Dick, 1983, citado por Shuttleworth, 1993, en Maidment, 1993).
ETc = f (θ) * Kc * ETo
(3)
Donde
θ - θw
f (θ) =
----------
(4)
θ f - θw
donde θ es el contenido de humedad del suelo; θw es el contenido de humedad en Punto de
Marchitez Permanente (PMP); θf es el contenido de humedad en Capacidad de Campo (CC). Este
tipo de estimación también es mencionado por Millar (1993).
La evapotranspiración forestal se estimó como:
ETf = 0.8 ETo + αi * P
mm/día
(5)
0.95 Ns (S + 0.2 τs)
αi * P =
-------------------------Nd
(6)
Ns es el número de tormentas en el período de Nd días y τi es su duración promedio (en h). S es la
capacidad de intercepción de las tormentas (1.2 mm para coníferas) (Shuttleworth, 1993, en
Maidment, 1993).
4.2.3. Modelo Hidrológico
Como se observa en la Figura 4.5 el balance hidrológico se efectuó suponiendo que existen dos
elementos de almacenamiento de humedad en la cuenca: el suelo (horizontes A y B) y un
almacenamiento subterráneo. Cada uno de estos elementos se modeló como un estanque.
Figura 4.5. Modelo del Balance Hidrológico utilizado.
De acuerdo a análisis físico-hídricos realizados en calicatas la capacidad de almacenamiento de
agua en el suelo (HMAX) es de 150 mm (16% de humedad volumétrica a PMP y 31% de humedad
volumétrica a CC). En el modelo se ingresa una humedad inicial θ0 de manera que sea igual a la
humedad θ12. (humedad final del mes 12).
El procedimiento se repite para 12 meses haciendo variar i de 1 a 12, desde febrero de 2001 a
enero de 2002.
Se consideró adecuado iniciar y terminar el período del balance hidrológico
durante una época cuando el suelo posee muy poco contenido de humedad según lo sugerido por
Custodio y Llamas (1983).
4.2.4. Algoritmo del Balance Hidrológico
Para el cálculo de las variables incluidas en el modelo se utilizó el algoritmo presentado en el
diagrama 4.1.
INICIO
INGRESAR
θ0 Y HMAX
LEER Pi, Ei, ETci,
θi−1 + Pi - Ei > ETci
NO
SI
ETri = ETci
0<θi−1 + Pi - Ei < ETci
NO
SI
ETri = ETci * f(θi)
ETri = 0
θi = θi−1 + Pi - Ei - ETri
i=i+1
θi > HMAX
NO
SI
PERi = θi - HMAX
0<θi < HMAX
θi = HMAX
Ai = Αi-1 + PERi
NO
SI
PERi = 0
NO
Ai = Αi-1 + θi
θi = 0
i >12
FIN
Diagrama 4.1. Diagrama de flujo del modelo utilizado.
4.2.5. Mediciones
Durante más de un año se realizaron mediciones de precipitación, escorrentía superficial y presión
atmosférica.
Además se contó con registros diarios de radiación solar, velocidad del viento,
temperatura ambiental y humedad relativa de una estación meteorológica ubicada cerca de la
zona de estudio (lat. 36° 31’ S y long. 72° 22’ O) que permitió estimar la evapotranspiración de
cultivo de referencia (ETo) utilizando el método de Penman-Montheith.
Las mediciones de precipitación fueron realizadas con tres pluviómetros marca Davis, tipo II, con
un datalogger Hobo, y software para manejo de datos es el BoxCar Pro v.3.51, lo que permitió
tener información con sensibilidad de 0.2 mm.
La escorrentía superficial en la sub-cuenca 1 se midió con una canoa Santa Rita (Smith, 1982)
implementada con medidores de presión Diver, uno sumergido para medir presión por carga de
agua y presión atmosférica, y otro fuera para medir presión atmosférica y obtener el nivel de agua
por diferencia. El software de manejo de datos del Diver es el EnviroMon v 1.4. La escorrentía
superficial en la sub-cuenca 2 se midió utilizando una canoa de fondo plano de 0.4 * 1.8 m
(Valenzuela, 1997) y un sensor de nivel de agua modelo MiniTroll marca In situ y software Win-situ.
En ambos casos los registros se realizaron cada 5 minutos.
La ubicación de los puntos aforo y de los pluviómetros en las sub-cuencas se presentan en la
Figura 4.2.
Las mediciones de áreas de las sub-cuencas y de los diferentes tipos de uso de suelo se realizaron
digitalizando fotos aéreas escala 1:20,000 en Cartalinx y procesando la información en ArcView.
4.2.6. Método de la variación del Nivel Freático
Basado en la topografía, cobertura vegetal, ubicación de pozos norias y en otros estudios en los
cuales se realizaron prospecciones geofísicas, fue posible ubicar y dimensionar las “zonas de
acumulación” en las sub-cuencas 1 y 2, que son las zonas bajas correspondientes a depósitos
sedimentarios de material arrastrado por el agua (Figura 4.3). Es en estos lugares donde se
ubican la mayoría de los pozos noria de la cuenca San José.
Los pozos noria fueron
georreferenciados y en 20 de ellos se realizaron mediciones del nivel freático cada dos semanas y
en algunos casos se utilizaron sensores de nivel DIVER para tener registros continuos. Con esta
información se pudo obtener la variación de nivel del agua para estimar la recarga.
Figura 4.3.
drenaje.
Ubicación de pozos noria en sub-cuencas,
zona de acumulación y red de
Figura 4.4. Usos de Suelo existentes en las sub-cuencas del estudio.
De pozos noria en construcción se extrajeron muestras de suelo para conocer la textura, y en base
a ella obtener la porosidad eficaz, según el triángulo de clasificación de suelos con isolíneas de
porosidad eficaz (Custodio, 1983). En acuíferos libres la porosidad eficaz es semejante al
coeficiente de almacenamiento (S), por lo tanto es posible usar este parámetro.
A partir de la proporción de área de acumulación de agua respecto al área total de las cuencas y el
almacenamiento (S) se pudo obtener un valor de recarga anual que entregó una estimación
adicional de la recarga obtenido por el método del balance hidrológico.
4.3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de los balances hidrológicos mensuales de ambas sub-cuencas se presentan en las
Figuras 4.6 y 4.7 y Cuadro 4.3.
Cuenca 1
ETr
E
P
ETo
200
150
100
50
Lámina (mm/mes)
250
ene-02
dic-01
nov-01
oct-01
sep-01
ago-01
jul-01
jun-01
may-01
abr-01
mar-01
feb-01
0
Meses
Figura 4.6. Resultado del Balance hidrológico en sub-cuenca 1.
Cuenca 2
ETr
E
P
ETo
200
150
100
50
Meses
Figura 4.7. Resultado del Balance hidrológico en sub-cuenca 2.
ene-02
dic-01
nov-01
oct-01
sep-01
ago-01
jul-01
jun-01
may-01
abr-01
mar-01
feb-01
0
Lámina (mm/mes)
250
Según los resultados obtenidos, el comportamiento hidrológico de ambas sub-cuencas resultó
semejante. La ETo fue alta durante el período de primavera-verano, sin embargo la ETr resultó
baja debido a la poca disponibilidad de agua en el suelo. La distribución mensual de la escorrentía
superficial presentó diferencias entre ambas sub-cuencas como se observa en las Figuras 4.6 y
4.7. Las precipitaciones ocurridas durante los meses de marzo y abril, posteriores al período seco,
no produjeron escorrentía superficial, por ser consumidas por el suelo, y sólo en mayo comenzaron
los flujos de agua en los esteros. La información en forma acumulada se presenta en las figuras
4.8 y 4.9.
Figura 4.8. Componentes del balance presentados en forma acumulada para la sub-cuenca 1.
Figura 4.9. Componentes del balance presentados en forma acumulada para la sub-cuenca 2.
Con el método del balance de masa puede estimarse la ETo con cierto error, que frecuentemente
puede alterar el cálculo de la recarga (Samper, 1997, en Custodio, 1997). Se observó que la PER
fue del orden de 6% o inferior, respecto a la precipitación acumulada anual (Figura 4.10 y Cuadro
4.3).
Cuadro 4.3. Resumen anual de los balances. Evapotranpiración real (ETr), Precipitación (P),
Escorrrentía Superficial (E) y Percolación (PER).
Cuenca 1
Cuenca 2
ETr
P
E
PER
mm/año
270,7
627,8
337,5
19,6
% de P anual
43,1
100,0
53,8
3,1
mm/año
258,7
631,8
349,5
23,7
% de P anual
40,9
100,0
55,3
3,7
7
6
Percolación (% de P)
5
4
3
2
1
0
80%
85%
90%
95%
100%
105%
110%
115%
120%
% variación del parámetro
ETo - Sub-cuenca 1
ETo - Sub-cuenca 2
Hmax - Sub-cuenca 1
Hmax - Sub-cuenca 2
Figura 4.10. Análisis de sensibilidad de PER con respecto a valores de Hmax y ETo
ingresados al modelo para las dos sub-cuencas.
La estimación de ETo se realizó en base a datos meteorológicos y patrones de cultivo cuyas áreas
fueron medidas en las sub-cuencas. Por no disponer de datos reales de consumo de agua de
plantas en la zona, se realizó un análisis de sensibilidad del balance hidrológico con respecto a
ETo considerando una variación de +10% de los valores mensuales, obtenidos a partir de la
sumatoria de información diaria estimada por método de Penman-Montheith.
Los resultados
indicaron PER entre 2% y 5% (Figura 4.10).
Otro factor de error del balance hidrológico es la capacidad de almacenamiento de agua del suelo
(Hmax). En este trabajo se utilizó un Hmax de 150 mm correspondiente a un promedio de estudios
de suelo realizados en las sub-cuencas. La sensibilización de la PER con respecto a Hmax
considerando una variación de este parámetro de +10% mostró cambios en los resultados de la
PER de 1% a 5,7% de la precipitación acumulada anual.
Las estimaciones realizadas indican que gran parte del agua que no escurre es evapotranspirada,
en valores sobre el 40% de la precipitación anual (Cuadro 4.3). El coeficiente de escorrentía
resultó mayor al 50%, lo que está asociado al alto nivel de degradación de los suelos del secano
de la provincia de Ñuble, los cuales han perdido capacidad de retención de humedad y de
infiltración.
De pozos noria en construcción se extrajeron muestras de suelo las cuales resultaron en texturas
franco-arcillo-arenosas, franco-arenosas y francas, cuyas porosidades eficaces se encuentran
entre 0,1 y 0,15, según triángulo de clasificación de suelos con isolíneas de porosidad eficaz
(Custodio, 1983), sin embargo los valores podrían se menores en el suelo no disturbado in situ.
Por ellos se asumió el valor más bajo, es decir 0,1.
A partir de la proporción de las áreas de acumulación de agua respecto al área total de las cuencas
y el almacenamiento (S) se pudo obtener un valor de recarga anual que entregó una estimación
adicional de la recarga obtenido por el método del balance hidrológico.
El análisis de la variación del nivel freático (Figura 4.11) entregó los resultados que se presentan
en el Cuadro 4.4.
Figura 4.11. Variación del nivel freático en pozos noria.
Cuadro 4.4. Resumen de estimación de recarga de aguas subterráneas por variación del
nivel freático.
Subcuenca 1
Subcuenca 2
Subcuenca 3
Area Acumulación (%)
12,80
16,20
12,80
Variación Nivel (m)
1,58
1,26
1,27
Almacenamiento (%)
10,00
10,00
10,00
20
20
16
Recarga (mm)
4.4. CONCLUSIONES
Este trabajo aportó información inexistente a nivel de sub-cuencas pequeñas, representativas del
secano interior en el área centro-sur de Chile. Se pudo llegar a una cuantificación de las variables
incluidas en el balance hidrológico, que si bien son al nivel de estimación, permiten realizar análisis
sobre bases más sólidas. En la actualidad se extraen menos de 1,5 mm/año de agua subterránea
mediante pozos noria, principalmente con fines domésticos. De acuerdo a la estimación realizada
mediante balance hidrológicos la recarga varía entre 3% y 4% de la precipitación anual, con un
mínimo de 1 %. Esto corresponde aproximadamente a 22 mm/año, con un mínimo de 6,3 mm/año.
Por otra parte la estimaciones de recarga basadas en la variación del nivel freático medido en
pozos noria entregó resultados similares entre 16 mm/año y 20 mm/año. Es decir, existe un
potencial de aguas subterráneas para pozos noria, que podría al menos triplicar el agua utilizada
actualmente.
4.5
BIBLIOGRAFÍA
Custodio, E., M. R. Llamas, J. Samper, La evaluación de la recarga a los acuíferos en la
Planificación Hidrológica., Asociación internacional de Hidrogeólogos, Grupo Español, Enero de
1997, Las Palmas de Gran Canaria, 455 pp.
Custodio, E y M. R. Llamas.
Barcelona, 1983, 2350 pp.
Hidrología Subterránea. Editorial Omega, Segunda Edición,
Del Pozo, A y P. Del Canto, Areas Agroclimáticas y sistemas Productivos en la VII y VIII
regiones,INIA Quilamapu, Serie Quilamapu N° 113, 1999, Chillán, Chile, 116 pp.
Jara, J. y A. Valenzuela, 1998, Necesidades de Agua de los Cultivos, Boletín
Comisión Nacional de Riego (CNR) y Universidad de Concepción, 1998, Chillán, Chile, 26 pp.
González L., Mardones M., A. Silva y E. Campos, “Hidrogeoquímica y comportamiento del agua
subterránea en la cuenca del río Claro, Región del Biobío, Chile”, Revista Geológica de Chile, Vol.
26, N° 2, diciembre de 1999, Santiago, Chile, pp. 145-157.
Gonzalez de Aguilar, A., La evaluación de los recursos hídricos en la planificación actual:
credibilidad y medios, Seminario La evaluación de la Recarga a los Acuíferos en la Planificación
Hidrológica, Asociación internacional de Hidrogeólogos, Grupo Español, Las Palmas de Gran
Canaria, España. Enero de 1997, 305-313.
Maidment, D. R., Handbook of Hydrology, McGraw-Hill, USA, 1993.
Millar, Agustín, Manejo de Agua y Producción Agrícola, IICA y Universidad de Concepción, Chile,
1993, 556 pp.
Pérez C. et al, Estudio Línea Básica Comuna de Ninhue, informe técnico, Proyecto CADEPA,
Chillán, Chile, 2001, 189 pp.
Samper, J., Métodos de Evaluación de la Recarga por lluvia por balance de agua: Utilización,
Calibración y Errores, Seminario La evaluación de la Recarga a los Acuíferos en la Planificación
Hidrológica, Asociación internacional de Hidrogeólogos, Grupo Español, Las Palmas de Gran
Canaria, 1997, pp. 41-81.
Scozzafava, M and M. Tallini, “Net Infiltration in the Gran Sasso Massif of Central Italy using the
Thornhwaite water budget and curve-number method", Hydrogeology Journal, vol 9, 2001, pp. 461475.
Shuttleworth, W. J., Evaporation, En Maidment, D. R., eds, Handbooks of Hydrology, McGraw-Hill,
USA, 1993., pp 4.1-4.53.
Smith R. E., D. L. Chery, Jr., K. G. Renard, and W. R. Gwinn. Supercritical Flumes For Measuring
Sediment-Laden Flow, Tech. Bul. Nº 1655, USDA, July 1982.
Valenzuela, A., C. Crisóstomo, A. Alfaro y J. Quezada, Canoa Aforadora de Fondo Plano, boletín
53. Facultad de Ingeniería Agrícola, U. de Concepción, Chile, 1997, 23 pp.
Vela, A., M. F. Mejuto y S. Castaño, Integración de un modelo de balance de agua en el suelo en
un Sistema de Información Geográfica. Aplicación al cálculo de la recarga directa, Congreso Las
Caras del Agua Subterránea, Serie Hidrogeología y Aguas Subterráneas 1/2001, Ministerio de
Ciencia y Tecnología, España.
CAPÍTULO 5
ESTUDIO DE DISPONIBILIDAD DE AGUAS SUBTERRÁNEAS AL NIVEL DE
LA CUENCA DE SAN JOSÉ, NINHUE
Autores:
Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola
Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS
Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©
Consultores Técnicos:
John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD.
David Rupp, Forestry MSc.
ESTUDIO DE DISPONIBILIDAD DE AGUAS SUBTERRÁNEAS AL NIVEL DE LA CUENCA DE
SAN JOSÉ, NINHUE
5.1.
INTRODUCCIÓN
Los hogares de los agricultores de la localidad de San José, comuna de Ninhue, generalmente se
ubican en las laderas de los cerros. El agua para consumo es bombeada desde pozos noria,
construidos por ellos mismos, generalmente en las quebradas cerca de las casas, durante los
períodos de sequía, cuando el nivel de aguas subterráneas es bajo, lo que facilita la excavación.
En estudios realizados en más de 100 pozos del sector San José, en donde se registraron sus
características físicas (diámetro, profundidad, profundidad del nivel freático, etc.), se pudo
observar que no existe una gran relevancia de las precipitaciones anuales sobre la variación
estacional del nivel freático, ya que aunque existan años secos, los niveles de los pozos se
recuperan, alcanzando el nivel máximo medido en época de lluvias, lo que lleva a concluir que
estas fuentes de aguas son relativamente estables y seguras.
Los resultados de las investigaciones anteriormente mencionadas, muestran que el nivel de las
aguas subterráneas se encuentra, en promedio, a menos de 5 m de la superficie y las fluctuaciones
estacionales (entre invierno y verano) no superan los 2 m en promedio. Comúnmente el nivel del
agua dentro de los pozos es de 1 m y la mayoría de ellos son de profundidades menores a 5m. La
excavación se podría realizar con equipos de perforación, extrayendo el agua a una mayor
profundidad, sin embargo debido a los bajos ingresos de los productores estas alternativas son
menos viables.
Actualmente, el principal uso de las aguas subterráneas es para consumo doméstico, alcanzando
100 L/día per cápita aproximadamente. Si consideramos un pozo por familia, teniendo en cuenta
que una familia promedio posee entre 4 a 5 personas, la cantidad de agua ocupada ascendería a
400 – 500 litro/día por cada pozo.
Es posible realizar cuantificaciones de recursos hídricos subterráneos a nivel de micro cuenca para
planificar su uso y además determinar la posibilidad de nuevas obras de captación.
El objetivo de este capítulo es mostrar el estudio de disponibilidad de aguas subterráneas realizado
en dos micro-cuencas modelo del sector San José, denominadas “La Unión” y “El Huerto”.
5.2. Balance Hídrico
El gran problema para el crecimiento de los cultivos del sector ocurre durante el verano, debido a
las pocas precipitaciones existentes en el lugar. Entre los factores favorables podemos destacar la
gran cantidad de horas de sol y temperaturas adecuadas para la agricultura. El promedio anual de
precipitaciones es de 775 mm (1993-1998), la que se concentra en el periodo Abril - Agosto. La
evapotranspiración potencial de los meses no lluviosos supera ampliamente el volumen de las
precipitaciones convirtiéndose así en un clima muy seco (Figura 5.1).
250
200
mm
150
100
50
0
Ene
Fe b
Ma r
Abr
Ma y
J un
J ul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Me s
P re cipita ción (S n. Agus tín de P ugnua l 1993-19 98)
Eva potra ns pira c ion pote ncia l (Ninhue , CNR)
Figura 5.1.
5.3.
Precipitación y evapotranspiración potencial.
METODOLOGÍA
Para la estimación de la disponibilidad de agua subterránea en una micro cuenca se debe
considerar que existe una recarga, que en el caso de la zona del secano de Ninhue corresponde a
agua lluvia infiltrada, que percola hacia niveles profundos del suelo. La recarga asumida para las
condiciones de este estudio es de 30 mm anuales (4% de la precipitación), de acuerdo a los valores
obtenidos en estimaciones realizadas en dos cuencas del Sector San José, en Ñinhue (capítulo 4).
Sin embargo el agua disponible en la micro cuenca debe ser extraída mediante pozos o vertientes,
lo que requiere un análisis a una escala menor. A nivel de fuentes de agua, para estimar su recarga
potencial se debe considerar un área aportante de la fuente que va a depender de la topografía y
de la presencia de otras fuentes que podrían ser usadas en forma conjunta. Además se debe
estimar la capacidad potencial de la fuente de agua, es decir cuanta agua podrías ser extraída a
través de ella, para compararla con la recarga asignada a dicha fuente y de acuerdo a esto ver si
es posible la extracción total de la recarga o existe la posibilidad de construir nuevas obras de
captación.
5.3.1. Estimación del Área Aportante
Para estimar el área aportante de las fuentes de agua en primer lugar se georeferenciaron toda las
captaciones existentes en la micro cuenca. A partir de información topográfica se definieron
zonas que drenan hacia la fuente de agua, lo que permitió asignar un área a cada una de ellas. En
este estudio se utilizaron topografías con una equidistancia de 2.5 m, obtenidas a partir de un
estudio fotogramétrico.
La información se georeferenció en coordenadas UTM, datum
Sudamericano 1969, huso 18.
5.3.2. Estimaciones del Rendimiento Potencial de las Fuentes de Agua
Los caudales de los pozos noria existentes en las micro cuencas se calcularon de acuerdo a un
modelo predictivo combinando el modelo de Rupp y la ecuación de Thiem (ver capítulo 6).
Esta
metodología permitió conocer el caudal que es posible extraer de los pozos noria a partir de
información de diámetro, profundidad del pozo, profundidad del nivel freático en diferentes fechas,
y de pruebas de recuperación para estimar la conductividad hidráulica saturada.
5.3.3. Comparación de Recarga y Potencial de los Pozos Noria
Como se hizo mención anteriormente, se asumió un valor de recarga aproximada de 30 mm
anuales. A nivel de área aportante fue posible estimar una recarga por fuente de agua que
corresponde a los 30 mm, según la siguiente ecuación:
R = Aap ∗ 10.000 ∗
30
1000
Donde:
R
Recarga del Area de la fuente de agua (m3/año)
Aap
Area aportante (ha)
Este volumen de recarga se pudo distribuir durante el año para cada fuente de agua y se comparó
con lo obtenido como extracción potencial de los pozo, de acuerdo al nivel de agua al interior de
ellos. Si el volumen recargado fue mayor que el potencial de la fuente de agua, se consideró
posible el aumento de la dotación de fuentes de agua en el área aportante, o el mejoramiento de
ella (por ejemplo, profundización). Si el volumen recargado fue menor que el potencial de la fuente
de agua, el agua captada por la fuente fue restringida a la recarga.
De acuerdo a esta información se obtuvo un plan de desarrollo de los recursos hídricos por micro
cuenca, que indica el agua posible de utilizar y la ubicación de nuevos pozos noria. Para la
localización de nuevos pozos noria se utilizó la metodología presentada en el capitulo 9, basada en
lineamientos para definir zonas de fractura, apoyado en información de variaciones del nivel
freático de los pozos.
5.4.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se presentan los resultados para las dos micro cuencas del estudio, La Unión y el Huerto, de 82.5
ha y 40.5 ha, respectivamente.
El resultado de la localización de las fuentes de agua y la asignación de un área aportante se
presenta en las figuras 5.2 y 5.3.
Se debe notar que la asignación de áreas comienza en las
zonas más elevadas de la micro cuenca, cuyas fuentes de agua podrían permitir la extracción del
agua antes que alcance los puntos más bajos. En el caso de las fuentes ubicadas a una menor
cota, que reciben el drenaje desde toda el área sobre ellas, se debe descontar el área aportante de
las fuentes de agua localizadas aguas arriba. En algunos casos existen fuentes de agua cercanas
que comparte un área aportante común.
Figura 5.2.
Localización de fuentes de Agua y Areas aportantes en la micro cuenca La Unión.
Figura 5.3.
Localización de fuentes de Agua y Áreas aportantes en la micro cuenca El Huerto.
Suponiendo que unos 30 mm de las precipitaciones recargan las aguas subterráneas (estrato de
granito meteorizado), se estimaron los volúmenes de recarga en la micro cuencas El Huerto y La
Unión, que fueron 33 y 68 m 3 /día en total respectivamente. Luego, se estimó el volumen máximo de
agua, para los pozos de la zona y considerando que cada agricultor podría poseer 1 ó 2 pozos en
su propiedad, se propuso la perforación de uno nuevo o la ampliación de los ya existentes para los
agricultores con poca disponibilidad de agua en su predio.
La información obtenida se resume en el cuadro 5.1, en la cual se detalla si el pozo existe o no, su
profundidad, la conductividad hidráulica saturada (Ks) obtenida mediante una prueba de
recuperación utilizando el modelo de Rupp, el área aportante y la capacidad potencial de los pozos
noria para entregar agua mensualmente y en la temporada de riego.
Si se considera la información anterior es posible estimar que en la micro cuenca La Unión y El
Huerto se podrían extraer 22 mm y 15 mm, respectivamente, durante la temporada de riego
(octubre a marzo). Estas cantidades incluyen agua de nuevos pozos en 27% y 3.5% para las
micro cuencas La Unión y El Huerto, respectivamente.
El volumen promedio de estos pozos es de aproximadamente 2.0 – 4.5 m 3 /día, los que equivalen
a 1 – 3 litros por minuto y hoy en día se utilizan aproximadamente 0.5 m 3 /día de agua por pozo para
consumo familiar. Es decir, existe la posibilidad de usar más agua.
Al realizar la construcción de un pozo nuevo, se consideró el impacto que produce el bombeo,
recomendándose separar a lo menos 50m un pozo de otro, en el sector en estudio.
5.4.1. Agua disponible y riego
Basándose en el volumen necesario para implementar un riego por goteo en los principales cultivos
de la zona, se estimó la superficie regable con los pozos norias existentes, para los sectores de La
Unión y El Huerto. Los resultados se resumen en el cuadro 5.2.
Cuadro 5.2.
Superficie regable con pozos noria existentes en las micro cuencas.
Cultivo a regar
La Unión El Huerto
ha
ha
Solo Viñas
1,5
0,6
Solo Olivos
1,0
0,4
Solo Hortalizas
0,6
0,2
Las áreas posibles de ser regadas varían mucho, dependiendo de la capacidad de cada pozo. Es
así como en ocasiones, un solo pozo podría cubrir el 50% de la superficie mencionada en el cuadro
5.1.
Cuadro 5.1
Estimación de agua subterránea disponible
Cuenca de
Oct
Nov
Dic
Ene
los pozos
ks
3
3
3
cm/día Area
ha m /día m /día m /día m3/día
0
0.7
17
1.0
0.9
0.6
0.2
AM Existente
1
7.3
68
5.2
5.3
5.0
3.0
SG Existente
FS Existente
46
1.4
1.5
1.6
1.8
2
31.5
EA Existente 134
4.1
4.1
4.2
4.2
21.3
21.2
21.0
20.3
DM Existente 345
EM Existente
67
4.5
4.4
4.1
2.9
La Unión
4.0
4.3
5.0
4.7
PA Existente 300
3
18.1
EM2
Plan
87
2.2
2.2
2.2
1.8
PA2
Plan
87
4.7
4.5
4.0
2.7
MG Existente
12
1.3
1.1
0.8
0.5
4
9.5
8
3.0
2.3
1.4
0.8
CT Existente
CT2
Plan
87
5
2.7
2.3
2.3
2.3
2.3
DM2
Plan
87
6
3.7
3.1
3.1
3.1
3.1
MG2
Plan
87
7
9.0
7.6
7.6
4.8
2.7
Total
82.5
65.7
64.7
60.2
51.0
0
5.7
JG1
Existente
56
1.7
1.4
1.0
0.7
23
0.9
0.6
0.4
0.2
JG2
Existente
1
9.5
VA2
Plan
46
1.3
1.0
0.6
0.3
El Huerto
40
1.4
1.4
1.5
1.2
AG
Existente
2
17.8
89
13.8
13.7
13.3
9.4
VA
Existente
EP
Existente
23
3
7.5
4.5
4.0
3.4
2.8
Total
40.5
23.5
22.1
20.1
14.6
Nota) PrecPrecipitacion annual (promedio) : 775 mm, Porcentaje de recarga : 4%
Agua disponible se calucla bomba puede usar 18hr por día.
Ks en plan de los pozos es promedio de la cuenca.
MMC
Agric.
Pozos
Existente/plan
Feb
Mar
m3/día
0.0
1.8
1.5
3.0
14.0
1.8
3.9
1.3
1.5
0.4
0.4
1.5
2.9
1.5
35.4
0.5
0.1
0.1
1.0
7.0
2.4
11.1
m3/día
0.0
1.5
1.3
2.6
12.0
1.4
3.6
1.1
1.1
0.3
0.3
1.1
2.7
1.1
30.1
0.4
0.1
0.1
0.9
6.2
2.3
9.9
Promedio
octubre-marzo
m3/día m3/día
0.5
4.1
3.6
1.5
23.5
3.7
18.3
3.2
4.3
12.4
1.8
3.1
0.7
2.1
1.4
2.0
2.0
3.0
3.0
4.2
4.2
51.3
1.0
0.4
2.0
0.6
1.2
11.8
10.6
3.2
3.2
17.0
La cuenca de La Unión posee una superficie de 82.5 ha. El volumen potencial de explotación de
aguas subterráneas de poca profundidad es de alrededor de 51m 3 /día, lo que significa el riego para
1 ha de olivos, aproximadamente. En general el volumen potencial de explotación de aguas a
través de los pozos norias, es menor a la capacidad de recarga que fluye en el acuífero. Como la
cantidad de agua varía según la época del año, el volumen disponible es mucho menor en la
temporada de riego. En el caso de La Unión, el volumen potencial de explotación de aguas, en
épocas de sequía (octubre a marzo) alcanza los 46m 3 /día aproximadamente. En la actualidad la
cantidad de agua ocupada para el riego de esta cuenca, asciende a unos 5m 3 /día, es decir, el
porcentaje de uso de los recursos hídricos es solamente el 10% del total del agua aprovechable
(Figura 5.4).
Recursos hídricos actuales
Microcuenca : La Unión
Total
Area
Area 4
‡ ”
A 1= 82.5 ha
A1 = 9.5 ha
‡”
A 1=
A2 =
0.1 ha
Q1 =
4.7 m3/d
A2 =
-
ha
Q2 = 45.9 m3/d
Q 1=
-
m3/d
9 pozos
Q 2 = 2.1 m3/d
9.5 ha
2 pozos
Area 1
Area 2
A1 = 0.7 ha
Sin usario
A 1= 10.0 ha
A1 = 44.2 ha
A 1= 18.1 ha
Area 3
‡ ”
A 1= 82.5 ha
‡ ”
A 1= 81.8 ha
‡ ”
A 1= 71.8 ha
‡”
A 1= 18.1 ha
A2 =
-
ha
A 2= 0.1 ha
A2 =
-
ha
A 2= 0.0 ha
Q1 =
-
m3/d
Q 1= 4.1 m3/d
Q 1=
-
m3/d
Q 1= 0.6 m3/d
Q2 =
-
m3/d
Q 2= 4.9 m3/d
Q 2 = 29.0 m3/d
Q 2= 9.9 m3/d
3 pozos
Estero San Jóse
2 pozos
2 pozos
Numero de Area
A1 = Cuenca de los pozos
ha
‡”
A 1= Area total de cuenca
ha
A2 = Area de riego actual
m3/día
Q 2 = Disponibilidad de agua (promedio)
m3/día
Tiempo de riego : octubre - marzo
Figura 5.4.
Estimación de agua subterránea actual.
ha
Q 1 = Cantidad de agua para A2 (promedio)
Con Respecto a esto, considerando las condiciones topográficas, la existencia o no de pozos en
sus alrededores, la posibilidad de uso de estos y la construcción de 5 nuevas norias, el volumen
potencial de explotación de agua de los pozos en esta micro cuenca, sumarían en total 51m 3 /día,
disponibles para la temporada de sequía, cantidad que asegura el riego de 1.4 ha de olivos, pero
se debe recordar que se necesita agua para consumo, por lo que la capacidad de riego efectivo
llega a 32 m 3 /día, representando un 60% de la recarga total al acuífero. (Figura 5.5). De esta forma,
es posible elevar el rendimiento del uso de los recursos hídricos de la micro cuenca, aumentando
la superficie cultivada. La proporción entre superficie regable y la superficie de la cuenca es muy
baja, pero si se mejora el rendimiento en la producción y la calidad de los cultivos, con la
implementación de un sistema de riego tecnificado, significaría un mejoramiento directo en los
ingresos de los agricultores, permitiendo mantener una actividad agrícola estable.
Recursos hídricos disponibles
Microcuenca : La Unión
Total
2 pozos
Area 5
Area
A 1=
‡ ”
82.5 ha
A2 =
1.4 ha
Area 4
A 1= 2.7 ha
‡ A
” 1=
Q1 = 31.7 m3/d
A1 = 9.5 ha
‡ A
” 1=
2.7 ha
A 2= 0.1 ha
Q2 = 51.3 m3/d
Q 1= 1.3 m3/d
A 1= 3.7 ha
‡”
A 1=
Q 2= 2.0 m3/d
14 pozos
1 pozo(plan)
9.5 ha
1 pozo(plan)
A2 = 0.0 ha
Area 6
3.7 ha
Area 7
Q 1 = 0.7 m3/d
Q 2 = 2.1 m3/d
A 1= 9.0 ha
‡”
A 1=
9.0 ha
A 2= 0.1 ha
A 2= 0.1 ha
Q 1= 2.5 m3/d
Q 1= 1.3 m3/d
Q 2= 3.0 m3/d
Q 2= 4.2 m3/d
1 pozo(plan)
Sin usario
A1 = 0.7 ha
Estero San Jóse
A 1=
‡ ”
82.5 ha
Area 1
A 1= 7.3 ha
A 1= 81.8
‡ ”
ha
Area 2
Area 3
A1 = 31.5 ha
‡ A
” 1=
A 1= 18.1 ha
A 1=
‡”
71.8 ha
-
m3/d
A 2= 0.1 ha
A2 = 0.7 ha
A 2= 0.3 ha
Q1 =
-
m3/d
Q 1= 1.6 m3/d
Q 1 = 16.7 m3/d
Q 1= 7.6 m3/d
Q2 =
-
m3/d
Q 2= 4.1 m3/d
Q 2 = 23.5 m3/d
2 pozos
Q 2= 12.4 m3/d
3 pozos
4 pozos (plan:2)
Numero de Area
A 1= Cuenca de los pozos
‡ ”
A 1=
Area total de cuenca
A 2= Area de riego en caso de olivos (máxima)
Q 1= Cantidad de agua para A2 (promedio)
Q 2= Disponibilidad de agua (promedio)
Tiempo de rieg o : octubre - marzo
Figura 5.5.
18.1 ha
A2 =
Estimación de agua subterránea disponible.
ha
ha
ha
m3/día
m3/día
5.5
CONCLUSIONES
La disponibilidad de aguas subterráneas es baja, sin embargo es posible aumentar su uso para
riego. Además se debe considerar que las fuentes subterráneas son seguras puesto que aún en
años poco lluviosos los pozos alcanzan niveles altos. Por otra parte, la cantidad de agua que
pueden aportar las fuentes es altamente variable.
Es posible realizar planes para el uso adecuado de las aguas subterráneas en fuentes existentes
y futuras, para lo que se debe diferenciar la calidad de las fuentes de agua, de tal forma que solo
las de mayor cuantía tengan fines de riego, mientras las de menor caudal pueden servir sólo con
fines de uso doméstico. Esto es posible de realizar utilizando la metodología aplicada en este
trabajo a través de las estimaciones de recarga y rendimiento del agua subterránea.
5.6.
BIBLIOGRAFÍA
K. Takagi, Informe del Especialista en agua subterránea poca profunda (Corto plazo), 2003
CAPÍTULO 6
ESTIMACIÓN DEL RENDIMIENTO DE POZOS NORIA EN EL SECANO INTERIOR,
COMUNA DE NINHUE
Autores:
Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS
Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©
David E. Rupp, Forestry MSc.
Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola
Consultores Técnicos:
John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD.
José Luis Arumi R., Ing. Civil, PhD.
ESTIMACIÓN DEL RENDIMIENTO DE POZOS NORIA EN EL SECANO INTERIORCOMUNA DE NINHUE
6.1
INTRODUCCIÓN
El Secano Interior de la VIII Región se caracteriza por la escasez de agua durante los meses de verano,
dificultando el desarrollo de los rubros agrícola, industrial, y otras actividades.
La información obtenida en terreno señala que en la zona la principal fuente de recursos hídricos la
constituyen las aguas subterráneas no profundas, extraídas fundamentalmente mediante pozos noria,
los cuales son de bajo rendimiento debido a la pobre permeabilidad de los acuíferos y al alto grado de
degradación existente de los suelos. El número de pozos-noria en microcuenca San José, considerada
como base para este estudio, asciende a 70. Los pozos noria generalmente han sido construidos por los
propios agricultores, y solo alcanzan para abastecer el consumo doméstico. Información basada en
encuestas realizada en el Proyecto CADEPA señala que la extracción promedio es alrededor de 460
litros por día por pozo.
A pesar de la baja capacidad de aporte de agua de los pozos noria en el área, es necesario obtener
información cuantitativa en relación a su rendimiento real, tanto para pozos en forma individual, como a
nivel de cuenca. Estudios de aguas subterráneas realizados en el marco del Proyecto CADEPA indican
que aproximadamente 6 a 20 mm (Uribe, 2002) recargaron los acuíferos en la temporada 2001-2002,
constituyendo el tope para la extracción, cualquiera sea el tipo de fuente de agua.
Por otra parte,
antecedentes de la cuenca de Buenos Aires, Portezuelo, cercana a San José, indican que los pozos se
recuperaron hasta el nivel habitual en el año 1998, con un cuarto de las precipitaciones promedio anual
(Selker et al., 2000). Esto ha sido corroborado en los estudios del proyecto CADEPA entre los años 2001
y 2004. Estos datos respaldan que la recarga segura de las aguas subterráneas en el Sector de San
José es del orden 20 mm.
Debido a lo anteriormente señalado, resulta de gran importancia para el mejoramiento de la calidad de
vida de los habitantes del secano interior, realizar un estudio acerca del rendimiento potencial de los
pozos noria en el área de estudio y su evaluación conjunta a nivel de cuenca. Predicciones de caudal en
los pozos-norias pueden ser realizadas a partir de la conductividad hidráulica saturada (Ks), obtenida
mediante ensayos de recuperación, y de las dimensiones de los pozos. Datos previos a este estudio
indican que la conductividad hidráulica de la zona saturada en la cuenca San José es del orden de 8 a
100 cm/día, lo que demostró que se puede mejorar la disponibilidad de agua en los pozos-norias
actuales.
En este estudio se realizó una estimación del rendimiento de pozos-noria que poseen actualmente los
agricultores, aplicando la metodología que combina la ecuación de Thiem (1906) y el modelo de Rupp et
al. (2001), basada en conductividad hidráulica y dimensiones de los pozos.
El objetivo de este estudio fue: a) simular el rendimiento de los pozos noria de la cuenca de San José y b)
comparar el rendimiento obtenido con el uso actual de agua y con la recarga de las aguas subterráneas.
6.2
MATERIALES Y MÉTODOS
6.2.1. Descripción del Sitio
6.2.1.1. Ubicación
El área de estudio se ubica en la vertiente oriental de la Cordillera de la Costa, en la coordenada 36°24’ S
y 72°30’W, provincia de Ñuble, VIII Región, Chile (Figura 6.1) y corresponde a una parte de la cuenca del
estero San José, ubicada 10 km al poniente del pueblo de Ninhue, en la comuna homónima. La cuenca
tiene una area de aproxidamente 10 km2 y la elevación varia entre 55 y 230 m.
W72º 33'
W 72º 16'
N 36º 13'
K
W 72º 30'
Ninhue
N 36º 24'
Ú
N 36º 29'
Figura 6.1. Ubicación general de la zona de estudio.
6.2.1.2. Clima
Según clasificación de Papadakis, el clima es de tipo mediterráneo y corresponde al agroclima
Cauquenes (Pozo, del; 1999). La precipitación media anual medida entre 1993 y 2000 a 7 km del área del
estudio en la estación San Agustín de Puñual de la Dirección General de Aguas, es de 814 mm,
concentrada en entre mayo y septiembre. La evaporatranspiración potencial es de 1100 mm/año siendo
mayor durante los meses de diciembre, enero y febrero (Comisión Nacional de Riego, 1997).
Figura 6.2. Ubicación de pozos noria, cuencas, zona de acumulación y red de drenaje.
6.2.1.3. Geología
Desde el punto de vista geológico la zona está constituida por rocas plutónicas paleozoicas: granitoide
rico en cuarzo y diorita cuarcífera (Bizama, 1998). Los intensos procesos de meteorización química que
han actuado sobre las rocas graníticas de la Cordillera de la Costa, han permitido la formación in situ de
un suelo profundo, de espesor variable, compuesto por material de textura fina con fracciones
importantes de arenas, propensos a la erosión y de baja fertilidad. Estos suelos permiten la infiltración y
acumulación local de pequeñas cantidades de agua subterránea, controlada por una topografía de
lomajes fuertes (González et al., 1999). Los suelos presentan baja permeabilidad y las tasas de
infiltración que permiten los horizontes superiores son bajos, provocando escorrentías superficiales
concentradas en los meses lluviosos, que crecen y decrecen rápidamente, después de los eventos de
precipitaciones. Los horizontes superiores del suelo suelen tener una capacidad de retención de
humedad volumétrica cercana al 20%, mientras que en estratas más profundas, la porosidad eficaz del
material es baja, 1% a 8% (Selker et al., 2000; González et al., 1999), limitando la capacidad de éstas
como aportantes de agua.
6.2.2 Ubicación de pozos norias y selección de norias a estudiar
La cuenca considerada en este estudio (Figura 6.2), de 725 ha, es afluente del estero San José. La
totalidad de los pozos (53) fueron caracterizados teniendo en consideración sus dimensiones
(profundidad, diámetro, profundidad del nivel freático estacional) y su ubicación.
En 37 pozos noria, equivalentes al 70%, se realizaron pruebas de recuperación para estimar la
conductividad hidráulica saturada (Ks) aplicando la metodología de Rupp et al (2001). El equipamiento
utilizado fue una motobomba, huincha de medir y sensores de nivel DIVER. Cada pozo-noria fue
individualizado registrando datos de diámetro, profundidad, forma de habilitación, medición de nivel
freático y observación de presencia de roca en el fondo. Esta información fue utilizada para estimar el
rendimiento potencial de cada pozo.
6.2.3 Determinación de la Conductividad Hidráulica
La metodología propuesta por Rupp et al. (2001) es una modificación de la prueba de Bouwer y Rice
(Slug-test) (Bouwer y Rice, 1976) para estimar la conductividad hidráulica (KS) en pozos de gran diámetro
a partir de pruebas de recuperación. Esta metodología involucra un análisis de la curva de recuperacion
después de un vaciamiento rápido del pozo noria, sin embargo, se ha mostrado que registrando el nivel
del agua pocas veces (mínimo de dos) durante la recuperación no se introduce un error significativo en la
estimación comparado al análisis de la curva completa (Uribe et al., en preparación). Por esta razón, fue
posible utilizar la siguiente simplificación de la metodología:
KS =
⎛ y
r2R
ln ⎜⎜ 25
2 L ( t 75 − t 25 ) ⎝ y 75
⎞
⎟⎟
⎠
(1)
donde (Figura 6.3)
r = radio del pozo (m)
L = distancia desde el nivel freático hasta el fondo del pozo (m)
t25 = tiempo en cual el nivel se ha recuperado hasta 25% de su nivel inicial (min)
t75 = tiempo en cual el nivel se ha recuperado hasta 75% de su nivel inicial (min)
y25 = distancia desde el nivel freático hasta el 25% de recuperación (m)
y75 = distancia desde el nivel freático hasta el 75% de recuperación (m)
El término R se puede calcular mediante la expresión:
R=
[
]
1.84 + 0.21ln Λ (L / r )
1/ 2
1 + 1.61[( D − L ) / D ] ( L / r ) −5 / 8
2
(2)
donde D es el espesor del acuífero (Figura 6.3), Λ es una medida de la capilaridad del suelo en función
de la textura (Cuadro 6.1). La ecuación 2 es válida para 2 ≤ L/r ≤ 20. En el caso del secano del sector
San José se utilizó un valor de Λ = 9,2.
Figura 6.3. Dimensiones consideradas en las ecuaciones para el análisis de rendimiento de
pozos-noria.
Cuadro 6.1. Capilaridad de suelo Λ según textura del suelo (Rupp et al., 2001)
Textura de Suelo
Λ (m)
Arenoso
0,4
Arenoso-Franco
1,2
Franco-Arenoso
4,1
Limoso
7,2
Franco-Arcillo
8,4
Franco
8,6
Franco-Arcillo-Limoso
9,2
Franco-Limoso
9,6
Franco-Arcillo-Arenoso
12,4
Arcillo-Limoso
17,7
Arcillo
47,3
Arcillo-Arenoso
55,2
6.2.4. Estimación de la disponibilidad de agua de los pozos
Conocida la conductividad hidráulica del acuífero libre y las dimensiones de un pozo noria es posible
aproximar el caudal Q aplicando la ecuación de Thiem (ecuación 3), asumiendo que el nivel del agua se
mantiene constante bajo el nivel freático.
Q = 2π K S L
y
R
(3)
donde R puede ser estimado mediante la ecuación 2 para pozos anchos y relativamente poco profundos,
o por otros métodos existentes para pozos estrechos y profundos (Bouwer y Rice, 1976).
Con la información de las dimensiones y niveles freáticos mínimos de los pozos noria durante el verano,
además de los valores de Ks, se pudo realizar una estimación de caudales mediante las ecuaciones 1, 2
y 3. Esto permitió comparar la explotación actual de los recursos hídricos subterráneos, la recarga, que
constituye un límite superior de extracción y la potencialidad de extracción a través de mejoramiento o
construcción de nuevos pozos.
6.3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.3.1. Ubicación y caracterización de los pozos-norias
La Figura 6.2 presenta la cuenca del estero San José, su red de drenaje, la cuenca del estudio y la
ubicación de los 53 pozos noria georeferenciados. Se puede apreciar que los pozos-norias se encuentran
asociados a los sectores bajos (“zonas de acumulación”) y a la red de drenaje.
Los pozos noria existentes han sido construidos por los propios agricultores, mayoritariamente revestidos
con tubos de cemento de 1 m de diámetro interior. La profundidad de los pozos varió entre 1,48 m y 10,1
m, con promedio de 4.78 m.
Según encuestas realizadas en el Proyecto CADEPA, el consumo promedio diario de agua de cada pozo
es de 460 L/día, con un máximo de 3000 L/día/pozo y un mínimo de 20 L/día/pozo. Esta información es
un buen punto de referencia para conocer el nivel actual de uso de los pozos-norias y compararlo con
estimaciones de rendimientos potenciales realizados en este trabajo.
6.3.2. Conductividad hidráulica (Ks)
Utilizando las ecuaciones 1 y 2, se obtuvieron valores de Ks los que se distribuyen según se aprecia en la
Figura 6.4. Los Ks obtenidos se clasifican como bajos (Villanueva e Iglesias., 1984), con media de 101,8
cm/día y desviación estándar de 132,2 cm/día, lo que indica una alta variabilidad. Por observaciones en
terreno se pudo apreciar que los resultados de las Ks mayores podrían corresponder a la presencia de
una condición de fracturamiento, que facilita el flujo del agua, mientras el resto de los pozos-norias se
encontrarían en formaciones no fracturadas (Figura 6.5).
Histograma
18
16
Frecuencia
14
12
10
8
6
4
2
0
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Clase de Ks (cm/dia)
Figura 6.4. Distribución de frecuencia de los valores de Ks medidos en los pozos-norias.
Coordenadas UTM, Datum SAD 1969, huso 18
Figura 6.5. Distribución espacial de la conductividad hidráulica (cm/día) en las sub-cuencas.
En pozos-noria en construcción se realizaron muestreos del perfil de suelo cada 1 m hasta profundidades
de 3,5 m. Los análisis de textura resultaron franco-arcillo-arenosas, franco-arenosas y francas, cuyas
porosidades eficaces se encuentran entre 0,1 y 0,15, según triángulo de clasificación de suelos con
isolíneas de porosidad eficaz (Custodio y Llamas, 1983), sin embargo, los valores podrían ser menores
en el suelo no disturbado, in situ.
6.3.3. Estimaciones de caudal basado en la Ks e información de pozos
Para la simulación de caudales se midió el nivel mínimo de agua desde el fondo del pozo (D) que ocurre
en verano y se utilizaron las Ks estimadas. Se consideró dejar un nivel mínimo de agua de 0,5 m desde
el fondo del pozo durante la extracción. Por ello, si el nivel medido en verano fue menor a 0,5 m, la
estimación de rendimiento fue nula. Además se simuló el efecto que tendría profundizar los pozos en 0.5
m y 1 m adicionales a la profundidad actual en caso que la presencia de roca en el fondo no sea
impedimento. De los 37 pozos analizados 16 podrían ser profundizados potencialmente. Las figuras 6.6
y 6.7, y el Cuadro 6.2 presentan la información resultante.
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
Caudal (m3/día)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Pozos
Figura 6.6. Caudales obtenidos por la ecuación de Thiem en todos los pozos noria y caudal
promedio (línea).
50
45
Profundización = 1 m
Profundización = 0.5 m
Profundización = 0 m
40
Caudal (m3/día)
35
30
25
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Pozos
Figura 6.7. Caudales obtenidos en pozos sin roca en el fondo y simulación del efecto de
profundización.
Estimaciones de recarga de aguas subterráneas indican que este parámetro varía entre 6 y 22 mm/año
para la temporada 2001-2002 (Uribe et al., 2003), mientras según las simulaciones realizadas en este
trabajo el agua posible de extraer por los pozos noria sería de 8 mm/año y 20 mm/año, para la
situaciones sin profundizar y profundizando 0,5 m, respectivamente.
Si se comparan estos valores con
el agua utilizada actualmente, que es menos de 2 mm/año, se puede pensar en aumentar el uso del
agua, aún sin profundizar los pozos. También existe la posibilidad de profundizar los pozos que no
tengan roca en el fondo o construir más pozos noria.
Cuadro 6.2. Caudal disponible bajo las condiciones actuales (SP) y de futuras profundización (P).
6.4
Q (m3/d)
Q (m3/d)
Q (m3/d)
SP
P=0,5 m
P=1m
Promedio (m3/dia)
3,3
8,1
12,8
Nº Pozos
53
53
53
Q anual (m3)
63.839
156.695
247.616
Q anual (mm)
8,8
21,6
34,2
CONCLUSIONES
La conductividad hidráulica medida en los pozos existentes usando la metodología de Rupp et al.
(2001) mostró la alta variabilidad del parámetro, cuyos valores resultaron entre 4 y 514 cm/día, con
media 101.8 cm/día y desviación estándar de 132.2 cm/dia. Los pozos noria son poco profundos y en
algunos casos pueden estar ubicados en zona fracturadas,
La recarga de agua subterránea, que se encuentra entre 6 y 20 mm/año (temporada 2001-2002), es
mayor que el nivel de extracción actual (menor a 2 mm/año). Si se compara la cantidad de agua
utilizada por los agricultores y la obtenida mediante las simulaciones realizadas en este trabajo (8,8
mm/año) se puede decir que no están extrayendo la totalidad del agua disponible que permiten los
pozos-noria existentes y adicionalmente es posible aumentar la extracción ya sea profundizando
pozos existentes o construyendo otros nuevos.
Se debe mencionar el alto nivel de agua perdida por escorrentía superficial, lo que limita la recarga,
por lo tanto se requiere con urgencia tomar medidas conservacionistas tendiente a mejorar la
infiltración y la capacidad de retención de humedad del suelo y de esta forma permitir a futuro contar
con una mayor disponibilidad de aguas subterráneas.
6.5
BIBLIOGRAFÍA
Bizama, G. 1998. Geología del cuadrángulo Yumbel (37º00’-37º5’S, 72º30’-72º45’W) VIII Región del BíoBío, Chile, “Memoria de Título”, Universidad de Concepción, Chile, 103 pp.
Bouwer, H., and R. C. Rice. 1976. A slug test for determining hydraulic conductivity ofunconfined aquifers
with completely or partially penetrating wells. Water Resources Research 12, no. 3: 423-428.
Comisión Nacional de Riego y CIREN-Corfo, 1997. Cartografía de la evapotranspiración potencial en
Chile. Chile.
Custodio, E y M. R. Llamas.1983. Hidrología Subterránea. 2ª.ed. pp.: 801. Omega, España.
González L., Mardones M., A. Silva y E. Campos, 1999. “Hidrogeoquímica y comportamiento del agua
subterránea en la cuenca del río Claro, Región del Biobío, Chile”. Revista Geológica de Chile, 26(2):145157
Pozo l., A del; Canto S., P del 1999. Areas Agroclimáticas y sistemas productivos en la 7 y 8 regiones.
116 p. Serie Quilamapu no.113. Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán
Chile.
Rupp, D, J. Selker and J. Simunek. 2001. A modification to the Bower and Rice Method of Slug-test
Analysis for Large-Diameter, Hand-Dug Wells. Ground Water 39(2):308-314
Selker, J., D. Rupp, M. Leñam, H. Uribe. 2000. Estudio Hidrológico en el Secano Interior. Resultados
Preliminares del Proyecto Piloto en Portezuelo. Informe Técnico de Riego 41 p. Instituto de
Investigaciones Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán Chile.
Thiem, G. 1906. Hydroligische methoden. Gephart, Leipzig, Alemania.
Uribe, H. 2002. Metodología para determinar la disponibilidad de aguas subterráneas en el
secano interior de Ninhue. Tesis para optar al grado de Magister en Ingeniería Agrícola.
Universidad de Concepción, Chile.
1
Uribe, H., Arumi, J. L., González, L., y L. Salgado. 2003. Balances hidrológicos para estimar recarga de
acuíferos en el Secano Interior - Chile, Ingeniería Hidráulica en México, vol. XVIII, num. 3, julioseptiembre, pp. 17-28.
Villanueva, M, A. Iglesias, 1984. Pozos y acuíferos. Técnicas de evaluación mediante ensayos de
bombeo. Instituto Geológico y Minero de España, División Aguas Subterráneas. Madrid. 426 pp.
CAPÍTULO 7
EVALUACIÓN DE TRES PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN SOBRE LOS NIVELES
DE HUMEDAD DEL PERFIL DEL SUELO.
AUTORES:
Octavio Lagos.Ing. Civil Agrícola Ms ©
Hamil Uribe Ing. Civil Agrícola Ms
Yukio Okuda Ing. Civil Agrícola
CONSULTORES TÉCNICOS:
John Selker., Agricultural Eng. MSc. PhD.
David E. Rupp, Forestry MSc.
Jose Luis Arumí. Ing. Civil PhD.
7.1
INTRODUCCIÓN
Los procesos de degradación de tierras tienen su raíz en factores económicos, sociales y culturales que
se traducen en la sobreexplotación de los recursos y en prácticas inadecuadas de manejo de suelos y
aguas. Sus consecuencias más evidentes son la pérdida de fertilidad del suelo, la reducción de la
productividad y un empobrecimiento generalizado de los sistemas de producción agrícola.
La actividad humana promueve cambios en la capa vegetal que cubre la superficie del suelo, estos
cambios posibilitan la compactación del suelo, rompe sus agregados estructurales y lo hacen
transportable. Esto contribuye a reducir la permeabilidad de la capa superficial, afectando la capacidad
del suelo para infiltrar y almacenar el agua, dificultando la penetración de las raíces en el suelo y
obstaculizando la captación de nutrientes para el desarrollo de las plantas. Las prácticas
conservacionistas de manejo de suelos, aguas y cultivos, en especial las labranzas, deben mantener y/o
mejorar las condiciones físicas, químicas y biológicas. Ello permitirá proteger la superficie del suelo del
impacto de las gotas de lluvia, aumentar la infiltración de agua en el perfil, mantener un ambiente
favorable para la penetración y desarrollo radicular y reducir los volúmenes de escorrentía y erosión
(Pérez, 2000).
En este marco y conociendo la importancia de revertir los procesos de degradación, Pizarro et al. (2003)
revisó y analizó prácticas tradicionales de conservación de aguas y suelos entre la IV y la VIII región de
Chile, en este trabajo se consideraron prácticas como zanjas de infiltración, zanjas de desviación, diques,
empalizadas, etc. Mostrando que son prácticas frecuentemente usadas, aunque en algunos casos, sin
un método de diseño estándar para su dimensionamiento.
Otras investigaciones han sido desarrolladas con el propósito de evaluar el efecto que tienen estas
prácticas en la productividad silvícola. Saavedra (1999) evaluó el crecimiento de Pinus Radiata D. Don en
una condición con y sin zanjas de infiltración, los resultados muestran diferencias de cuatro veces en el
crecimiento para la plantación ubicada en la zona de zanjas. Por otro lado Perez (2001) evaluó mediante
una proyección de los volúmenes de cosecha de Pinus Radiata, estimando un crecimiento mayor en un
61% en la situación con zanjas de infiltración, respecto a la zona testigo.
El efecto en la humedad del suelo con zanjas de infiltración y subsolado también fue observada por
Saavedra (1999), los resultados muestran que el contenido de humedad es superior en las situaciones
donde se realizaron obras de conservación, para una profundidad de 15 cm, el contenido de humedad del
suelo en la zona con zanjas de infiltración es 41% mayor que en la zona testigo. Para el contenido de
humedad del suelo a 30 cm de profundidad, los resultados muestran que al igual que para 15 cm de
profundidad, ambas técnicas son más eficientes que el establecimiento tradicional, siendo la zona con
zanjas de infiltración la que presentaba un mayor contenido de humedad del suelo, seguida ésta por la
zona donde se aplicó el subsolado.
Uribe y Rouanet (2002) evaluaron el efecto que tienen tres sistemas de labranza sobre la humedad del
perfil del suelo: dos prácticas de siembra con cero labranza (con y sin residuos) y labranza tradicional.
Este trabajo concluyó que desde el punto de vista de la retención de humedad en el perfil de un suelo
Ultisol, utilizar la técnica conservacionista cero labranza sin quema de residuos manifiesta una mayor
retención de humedad.
En un estudio actualmente en ejecución Pizarro y Pavez (2004) evalúan, en el Secano Interior y Costero
de la VI, VII y VIII región, el comportamiento del agua en el perfil del suelo producto de la construcción de
zanjas de infiltración y subsolado. Los resultados preliminares evidencian una gran variabilidad en el
contenido de humedad sometido a los distintos tratamientos, variabilidad debida principalmente a las
diferencias en densidad aparente de los suelos en los diferentes sitios de estudio.
En el Secano Interior de la VIII región, sector San José de la comuna de Ninhue se han propuesto y
construido distintas prácticas de conservación de suelo como una manera de controlar la erosión
producida por el escurrimiento superficial.
Los suelos del sector corresponden a suelos graníticos compuestos por material de textura fina con
fracciones importantes de arena, presentan una baja permeabilidad y bajas tasas de infiltración. Esta
situación provoca escorrentías superficiales concentradas principalmente en los meses de invierno y
nulas en verano, que crecen y decrecen rápidamente, después de los eventos de precipitación.
En forma demostrativa se han construido zanjas de infiltración en la parcela PECA del proyecto CADEPA,
las que están siendo evaluadas y comparadas con otras formas de manejo conservacionista como son
las zanjas de desviación y la cobertura vegetal con Hualputra (Figura 7A1).
7.2 OBJETIVO GENERAL
El objetivo de este estudio es evaluar el efecto de tres prácticas de conservación de suelo sobre la
disponibilidad de humedad en las distintas estratas del perfil del suelo.
7.3
MATERIALES Y MÉTODOS.
El ensayo se desarrolla desde mediados de octubre del año 2001 hasta Octubre del 2003, en la parcela
PECA del proyecto CADEPA en el sector de San José, comuna de Ninhue, VIII Región.
El suelo corresponde a franco arcilloso, con incremento de las arcillas en profundidad y con una alta
densidad aparente, resistente a la penetración. El suelo tiene baja capacidad de retención de humedad
en superficie, pero incrementada en profundidad por el aumento del contenido de arcilla (Figura 7.1).
0-20 cm franco arcilloso
20-100 cm arcilloso
Figura 7.1. Perfil del suelo hasta 1m.
El clima del área es de tipo mediterráneo marino, según clasificación de Papadakis (Del Pozo, 1999).
Según información de la estación agro-meteorológica San Agustín de Puñual, perteneciente a la
Dirección General de Aguas, ubicada a unos 7 Km. del área en estudio, la precipitación media anual es
de 775 mm/año, concentrada en los meses de invierno, donde la lluvia duplica los niveles de evaporación
potencial.
7.3.1. Prácticas de conservación
7.3.1.1.
Zanja infiltración. Las zanjas de infiltración corresponden a una obra de recuperación de
suelos, son construidas frecuentemente de forma manual y están ubicadas en la parte superior o media
de una ladera para capturar y almacenar la escorrentía procedentes de las cotas superiores. Se
construyen transversalmente a la pendiente, en la curva de nivel. Presenta una sección trapezoidal, con
una altura de 0,2 a 0,6 m. El distanciamiento entre zanjas depende de la precipitación y la pendiente del
terreno. Aguas abajo de la obra, se debe construir un camellón de similar altura que la zanja y con un
ancho similar a la anchura superior de la obra.
7.3.1.2.
Zanja desviación. Las zanjas de desviación son pequeños canales de tierra construidos
transversalmente a la pendiente, en la dirección de las curvas de nivel. Poseen una sección que en
promedio mide unos 30-40 cm de ancho por unos 20-30 cm de profundidad, la excavación
frecuentemente es realizada manualmente o mediante el uso de arados de tiro animal o tractor, el
material de la excavación es ubicado en el costado de aguas abajo de la zanja, de forma de construir un
camellón protector. Las zanjas de desviación se ubican en la partes superiores y medias de las laderas
con el fin de controlar la escorrentía de las zonas mas altas. La pendiente en el canal es muy baja con el
propósito de evacuar las aguas de escorrentía manteniendo un control sobre la erosión.
7.3.1.3. Pradera. La pradera tiene como objetivo crear una cubierta vegetal que impide el impacto
directo de las gotas de lluvia que sellan el suelo provocando una disminución en la velocidad de
infiltración y aumentando la escorrentía. El aumento de la escorrentía en suelos desnudos asociados a
altas pendientes tiene como consecuencia graves problemas de erosión hídrica. Por esta razón como
tercer tratamiento se considero una pradera de Hualputra. Esta se estableció entre los días 23 y 24 de
mayo 2001, con máquina Ruber Jr., se sembró la variedad Santiago en dosis de 23 Kg/ha de semilla,
previamente se realizó barbecho químico mediante la aplicación de 2,5 Lt/ha de Rundup. Se aplicó 235
Kg/ha de Superfosfato triple y en primavera se aplicó sulfato de potasio en dosis de 100 Kg/ha.
7.3.2. Humedad en el suelo
Los registros analizados corresponden al período comprendido entre mediados de Octubre del año 2001
hasta Octubre del 2003. Las mediciones de humedad se realizaron con una sonda de neutrones, similar a
la utilizada por Uribe y Rouanet. (2002) (Figura 7.2), en estratas de 20 cm hasta los 80 cm. La frecuencia
de las mediciones varió entre una a dos semanas.
Figura 7.2. Sonda de neutrones Troxler 4300.
Al inicio del ensayo, en la instalación de los tubos de registro se realizaron muestreos de suelo para
determinar el contenido de humedad y obtener la calibración del equipo. La humedad se determinó por
gravimetría en porcentaje de humedad base peso seco (%Hbss). Se instalaron 9 tubos de acceso para
tres zanjas de infiltración, siete para tres zanjas de desviación y siete para el sitio con cobertura vegetal.
Esta distribución permitió tener tres repeticiones por cada tratamiento y registros antes y después de
cada zanja.
7.3.3 Precipitación
Las mediciones de precipitación fueron realizadas cada 15 minutos a través de un estación meteorológica
modelo Campbell Scientific Inc., Datalogger CR 23X que además permite registrar radiación solar,
velocidad de viento, temperatura ambiental y humedad relativa. Esta estación se encuentra ubicada en el
sitio en estudio (Figura 7.3).
Figura 7.3. Estación meteorológica Campbell CR23X.
7.4 RESULTADOS Y DISCUSION
7.4.1. Efecto de tratamientos en la humedad del perfil del suelo
En la Figura 7.4 se presentan los resultados de humedad (%Hbss) para el período de estudio, totalizando
64 mediciones. Se presentan los registros para los tres tratamientos y las cuatro diferentes estratas (20,
40, 60 y 80cm).
Se observa desde Octubre hasta antes de la primera precipitación del año 2002, una constante
disminución en el contenido de humedad de todas las estratas, encontrando los menores valores en las
estratas más superficiales.
El efecto en el contenido de humedad de los diferentes tratamientos fue inadvertible gráficamente, la
variación de la humedad durante el período de evaluación es similar en cuanto a su magnitud y duración.
Se mantiene una menor variación del porcentaje de humedad en los estratos más profundas versus los
estratos más superficiales. Además la velocidad de disminución en el contenido de humedad fue mayor
en las estratas más superficiales que las observadas en las estratas más profundas
INIA CADEPA SAN JOSE
INIA CADEPA SAN JOSE
30
30
Variación de la Humedad 40cm
Variación de la Humedad 20cm
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
28/ 7/ 01
5/ 11/ 01
13/ 2/ 02
24/ 5/ 02
1/ 9/ 02
10/ 12/ 02
20/ 3/ 03
28/ 6/ 03
6/ 10/ 03
14/ 1/ 04
28/ 7/ 01
5/ 11/ 01
13/ 2/ 02
24/ 5/ 02
Fe c ha
20cm Zanja Inf.
1/ 9/ 02
10/ 12/ 02
20/ 3/ 03
28/ 6/ 03
6/ 10/ 03
14/ 1/ 04
Fe c h a
20cm Zanja Desv.
20cm Hualputra
40cm Zanja Inf.
40cm Zanja Desv.
40cm Hualputra
INIA CADEPA SAN JOSE
INIA CADEPA SAN JOSE
30
30
Variación de la Humedad 80cm
Variación de la Humedad 60cm
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
28/ 7/ 01
5/ 11/ 01
13/ 2/ 02
24/ 5/ 02
1/ 9/ 02
10/ 12/ 02
20/ 3/ 03
28/ 6/ 03
6/ 10/ 03
14/ 1/ 04
28/ 7/ 01
5/ 11/ 01
13/ 2/ 02
Fe c h a
60cm Zanja Inf.
60cm Zanja Desv.
24/ 5/ 02
1/ 9/ 02
10/ 12/ 02
20/ 3/ 03
28/ 6/ 03
6/ 10/ 03
60cm Hualputra
80cm Zanja Inf.
80cm Zanja Desv.
80cm Hualputra
Figura 7.4. Variación del contenido de humedad del suelo (%Hbss) para los tres tratamientos y las
diferentes estratas.
7.4.2. Precipitación y variación del porcentaje de humedad en el perfil del suelo
El aumento en el contenido de humedad provocado por las lluvias se observó en todas las estratas, la
respuesta fue inmediata después de los eventos de precipitación, siendo las más superficiales las que
mostraron un mayor incremento (Figura 7.5). A 20cm de la superficie del suelo, después de la primera
lluvia, el contenido de humedad aumento desde un 3% Hbss hasta un 12% Hbss, con un máximo de
20% Hbss durante el mes de julio (2002 y 2003). A una profundidad de 80 cm, después de la primera
lluvia, el aumento fue desde un 14% Hbss hasta un 18% Hbss alcanzando un maximo alrededor de 23%
Hbss.
14/ 1/ 04
Fe c ha
Durante el año 2002 la precipitación anual fue de 935.8 mm (21% mayor a un año normal) mientras que
el año 2003 fue de 460.5 mm (59% de un año normal) sin embargo los niveles máximos y mínimos de
humedad alcanzados fueron similares para ambos años.
La duración del período que muestra los niveles más bajos de humedad fue mayor durante la temporada
estival del año 2003 versus el año 2002, situación provocada por precipitaciones poco frecuentes durante
febrero de 2002 (aproximadamente 100 mm en dos días).
45,0
0
40,0
10
20
35,0
30
%HBPS
40
25,0
2001
2002
2003
50
20,0
60
PP (mm/día)
30,0
15,0
70
10,0
Zanja Infiltración
Zanja Desviación
Pradera
Precipitación
5,0
0,0
80
90
100
j-01 s-01 n-01 d-01 f-02 a-02 m-02 j-02 s-02 o-02 d-02 e-03 m-03 m-03 j-03 a-03 o-03 n-03 e-04
Fecha
Figura 7.5. Relación entre precipitación y la variación de la humedad en el perfil del suelo, estrata
20cm.
7.4.3. Variación de la humedad y relación con la escorrentía superficial
Paralelamente y con el propósito de evaluar el efecto de practicas de conservación en la escorrentía de
diferentes microcuencas se cuenta con registros de escorrentía superficial cada 5 minutos en la cuenca
donde están establecidas las tres practicas de conservación del presente estudio.
Al realizar una comparación de los registros de humedad y los registros de escorrentía superficial es
posible observar que luego que se alcanzan los valores máximos de humedad ocurre la escorrentía
superficial. En la figura 7.6 se muestran los eventos de precipitación y escorrentía del año 2003, en los
meses anteriores a Junio no se registraron escurrimientos superficiales en la cuenca, ocurriendo el primer
evento de escorrentía el 14 de junio. Al comparar los niveles de humedad del suelo alcanzados en dicha
fecha (Figura 7.5), se observa que el suelo aproximadamente ya ha alcanzado los niveles máximos de
humedad.
0
100
90
100
200
70
60
300
50
400
40
Sin Escurrimiento
Con Escurrimiento
30
500
20
600
10
700
0
dic-02
ene-03 mar-03 mar-03
abr-03
may-03
jun-03
jul-03
ago-03
sep-03
oct-03
nov-03
dic-03
Figura 7.6. Relación entre precipitación (azul) y escorrentía (rojo) acumulada año 2003.
Precipitación acumulada (mm)
Escorrentía acumulada (mm)
80
7.5 CONCLUSIONES
Para este tipo de suelo y durante el período de estudio las prácticas de conservación evaluadas no
presentan diferencias en el efecto producido en la humedad del suelo hasta 1m de profundidad.
A diferencia de los resultados encontrados por Saavedra (1999) y Pérez (2001) no se observa un efecto
directo de las practicas de conservación en la humedad del perfil de suelo, sin embargo, estos resultados
se asemejan a los encontrados preliminarmente por
Pizarro y Pavez (2004) y concuerdan con los
mencionados por Bonilla et al. (2002) con lo cual se estima que las prácticas de conservación muestran
diferentes efectos dependiendo del tipo de suelo donde son establecidas.
La respuesta de la humedad a los eventos de precipitación fue directa en todo el perfil mostrando mayor
variación en las estratas más superficiales que en las mas profundas. Considerando los dos años de
precipitaciones (935 y 460 mm/año 2002 y 2003 respectivamente), en ambos se alcanzaron
aproximadamente los mismos niveles máximos de humedad.
La escorrentía superficial muestra que cuando se alcanzan los valores máximos de humedad el suelo no
es capaz de almacenar más agua, provocando el escurrimiento de las aguas provenientes de los eventos
de precipitación.
7.6 BIBLIOGRAFÍA
Bonilla C., C. Bonomelli y G Urrutia. 2002. Distribución espacial y temporal de la precipitación y la
humedad del suelo en tres sitios forestales de la VIII región de Chile. Agricultura Técnica Vol. 62 Nº4 p.
541-554.
Del Pozo, Del Canto, 1999. Areas Agroclimáicas y sistemas productivos en la VII y VIII región, serie
quilamapu Nº 113, Instituto de Investigaciones Agropecuarias, CRI Quilamapu, Chillán, Chile, 116 p.
Pérez, H. 2001. Evaluación de la productividad de Pinus Radiata D. Don asociado a zanjas de infiltración.
Llongocura. VII región del Maule. Memoria para optar al título de Ingeniero Forestal, Universidad de
Talca. Talca. Chile. 41p.
Pérez C. (Ed.) 2000. Proposiciones tecnológicas para un desarrollo sustentable del Secano. Chillán,
Chile. Instituto de Investigaciones Agropecuarias. Boletín INIA Nº42, 250p.
Pizarro R y A Pavez. 2004. Análisis temporal de los contenidos de humedad del suelo asociada a obras
de conservación de aguas y suelos (zanjas de infiltración y subsolado) en zonas semiáridas de Chile
Central. Estudio en ejecución. http://eias.utalca.cl/invest.
Pizarro R, C. Sanhueza, J. Flores, E. Martínez y M. Ponce. 2003. Revisión y análisis de prácticas
tradicionales de conservación de aguas y suelos en zonas áridas y semiáridas de Chile Central.111 p.
Ramirez, J. 2002. Peasant rationality and land cover changes in the central drylands of Chile. Thesis
Ph.D. in Geography. University of Nebraska-Lincoln, USA. 189 p.
Saavedra J. 1999. Análisis comparativo de técnicas de recuperación de suelo en áreas degradadas;
efecto en la humedad del suelo, la supervivencia y crecimiento de Pinus Radiata D. Don. Microcuenca
estero Barroso, VII Región. Tésis para optar al título de Ingeniero Forestal, Universidad de Talca. Talca.
Chile. 35p.
Uribe H., J.L. Arumí, L Gonzalez y L. Salgado. 2003, Balances hidrológicos para estimar recarga de
acuíferos en el secano Interior de Chile. Ingeniería Hidráulica en México, Vol XVIII, num3,pp 17-28 julioseptiembre 2003.
Uribe H. y J. L. Rouanet. 2002. Efecto de tres sistemas de labranza sobre el nivel de humedad en el
perfil del suelo. Agricultura Técnica Vol. 62 Nº4 p. 555-564.
a)
b)
c)
Figura 7A1. Evaluación prácticas de conservación de suelo. a) Cobertura Hualputra b) Zanjas de desviación c) Zanja Infiltración
CAPÍTULO 8
AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIOS GEOFÍSICOS
Autor:
Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS
Consultores Técnicos:
John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD.
José Luis Arumi R., Ing. Civil, PhD.
David Rupp, Forestry, MSc.
AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIOS GEOFÍSICOS
8.1
INTRODUCCIÓN
El Secano Interior de Chile es una zona de suelos graníticos altamente degradados y con gran
escasez de agua en el periodo estival, lo que dificulta el desarrollo de la agricultura de riego.
Estudios realizados por el Proyecto CADEPA en el sector de San José, indican que en la actualidad
las fuentes de recursos hídricos en explotación corresponden principalmente a norias y algunas
vertientes, que permiten abastecer el consumo humano y superficies de riego menores a 1000 m2. por
pozo
Los pequeños caudales obtenidos de las norias son consecuencia de la baja conductividad hidráulica
(Ks) en este tipo de suelos. Valores de este parámetro han sido medidos en la zona y varían entre 1 y
88 cm/día en la microcuenca Buenos Aires, comuna de Portezuelo (Selker et al., 2000), y entre 5 y
900 cm/día, con una media de 111.9 cm/día, en la microcuenca San José, comuna de Ninhue
(Proyecto CADEPA), ambas en la provincia de Ñuble, VIII región.
En el Secano Interior es posible encontrar zonas donde la permeabilidad secundaria producida por
fracturamientos (Diaclasamiento o Fallamiento) de la roca permite la existencia de recursos hídricos
potenciales que deben ser evaluados (Cecioni y Best, 1996). Estudios de este tipo no han sido
realizados en la zona. En Japón se ha aplicado una metodología para detectar recursos hídricos en
zonas fracturadas en suelos graníticos (Ministerio de Agricultura de Tohoku, 1990) y estos trabajos se
han tomado como base para este estudio.
Las zonas de fractura pueden reflejarse en la topografía del terreno en forma de valles lineales,
cambios en la pendiente, distribución de la vegetación o presencia de portezuelos. Estas condiciones
permiten el trazado de lineamientos, los cuales podrían corresponder a una fractura (ver capitulo 9).
Los lineamientos se pueden trazar sobre fotografías aéreas o por otras metodologías.
Las prospecciones geofísicas realizadas sobre los lineamentos permiten obtener información en
relación a si constituyen una fractura o la presencia de agua.
En suelos graníticos una baja resistividad eléctrica puede significar la existencia de agua o la
presencia de arcillas, por ello las prospecciones electromagnéticas o eléctricas son un apoyo
importante. Una forma de diferenciar cual es la situación es utilizando prospecciones de radiación
gama. Las fracturas con arcilla pueden presentar niveles de radiación menores que con agua.
En las cercanías de las fracturas se pueden producir anomalías radioactivas que pueden ser
determinadas a través de mediciones de concentraciones de Uranio, Thorio y Potasio. En el espectro
de radiación gama el
214
Bi);
232
238
U corresponde a nivel de energía entre 1.66-1.86 MeV (máximo 1.76 MeV de
Th corresponde a nivel de energía entre 2.46-2.86 MeV (máximo 2.62 MeV de
208
Tl);
40
K
corresponde a nivel de energía entre 1.37-1.57 MeV (máximo 1.46 MeV de 40K) y radiación gama total
(0.4-2.81 MeV) (Ward, 1990).
El objetivo de este estudio fue la aplicación y evaluación de una metodología para la localización de
aguas subterráneas en zonas fracturadas basado en prospecciones geofísicas en la comuna de
Ninhue (VIII Región), en el marco del Proyecto CADEPA.
8.2
MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio se realizó en la microcuenca San José, comuna de Ninhue, VIII región, Chile.
La
metodología utilizada consideró un estudio preliminar que correspondió a la recolección de
información de la zona, ubicación de vertientes, preparación de fotografías aéreas y mapas
topográficos escala 1:5.000.
En segundo término se realizó el trazado de lineamientos (posibles fracturas) para lo cual se
analizaron fotos aéreas SAF escala 1:20.000, vuelo FONDEF del 25 de enero de 1994 mediante
estereoscopía y fotografías aéreas 1:5.000 tomadas para este trabajo. Los lineamientos se definieron
a través de la estructura como líneas de largo máximo de 1 Km. Los lineamientos fueron definidos por
estereoscopía, criterios topográficos y de cobertura vegetal. Los lineamientos se trazaron en base a
valles lineales, distribución vegetal y portezuelos.
A partir de los lineamientos, y de acuerdo a las posibilidades y necesidades de encontrar agua se
seleccionaron trazados para la realización de prospecciones geofísicas.
Tratando de cortar transversalmente los lineamientos se trazaron líneas de prospección de 200 y 400
m de longitud, separadas a 100 m una de otra. Las líneas de prospección sirvieron de guía para la
realización de tres tipos de prospecciones geofísicas: a) Espectrometría de Radiación gama; b)
Prospecciones Electromagnéticas y c) Prospecciones Eléctricas (Figura 8.3). Además se realizaron
exploraciones geológicas del sector.
La espectrometría de radiación gama se efectuó midiendo sobre las líneas de prospección, cada 20
m, con un analizador Handborne 8675, marca Clear Pulse que cuantificó radiación producida por 40K,
214
Bi ,
208
Tl y radiación gamma total, además de las relaciones
estas, la relación
214
40
K/214Bi,
40
K/208Tl y
214
Bi/
208
Tl. De
Bi/ 208Tl es un buen criterio para ubicar zonas fracturadas (Imaizumi, 1998). Las
mediciones se realizaron durante cinco minutos en cada punto y el equipo entregó las cuentas
registradas en dicho tiempo. La información obtenida se analizó en forma gráfica.
Las prospecciones Electromagnéticas se realizaron con un equipo APEX Maxmin Computer MMC
(APEX Parametrics Limited, 1998). El equipo contó con un transmisor y un receptor de ondas. La
separación entre el transmisor y el receptor fue de 40 m y se midió cada 20 m, sobre las líneas de
prospección. La profundidad del estudio corresponde a 1,5 veces la separación entre el transmisor y el
receptor, es decir 60 m. Se realizaron mediciones en 8 frecuencias diferentes:110; 220; 440; 880;
1760; 3520; 7040; y 14080 Hz. A mayor frecuencia de las ondas electromagnéticas se obtiene
información de zonas superficiales y a menor frecuencia el resultado corresponde a mayor
profundidad. Los cambios en los resultados obtenidos para distintas frecuencias pueden indicar
presencia de fracturas. Los resultados de las mediciones se expresaron como resistividad eléctrica y
también fueron analizados en forma gráfica.
Las prospecciones eléctricas resistivas se realizaron con un equipo STING R1 IP (Advanced
Geosciences, 2000), con 100 electrodos en línea, distanciados a 4 m, sobre las líneas de prospección.
Para las prospecciones se seleccionó la disposición de electrodos dipolo-dipolo (Advanded
Geosciences, 1997). La información se procesó haciendo una inversión mediante el software
RES2Dinv (Advanded Geosciences, 2000). Este software permitió incorporar la variable topográfica al
estudio. Las mediciones entregaron como resultado la resitividad eléctrica aparente (ohm-m) del
suelo en forma de gráficos bi-dimensionales. Se realizaron mediciones en pozos conocidos para
calibrar el equipo.
Finalmente se realizó un análisis de los resultados obtenidos en ambos lugares de estudio con el fin
de comprobar si los lineamientos corresponden a fallas. Las intersecciones de las fracturass son
lugares donde es más probable encontrar aguas subterráneas posibles de ser extraídas y por ello
constituyen la localización de puntos de perforación.
8.3
RESULTADOS y DISCUSIÓN
El trazado de lineamientos se realizó sobre Fotos aéreas escala 1:5.000 y 1:20.000 (Figura 8.1). La
localización de los lineamientos coincidió con otros trabajos realizados previamente (Oyarzún et al.,
1982). En las fotografías escala 1:20.000 en el sector de interés los lineamientos resultaron en
dirección NW y EW. Otros lineamientos se trazaron sobre planos topográficos y fotos 1:5000.
N
Figura 8.1. Lineamientos (rojo) y área de interés (azul) sobre fotografía SAF 1:20.000 (Coord.
UTM, Datun SAM 1969, Huso 18).
Los lineamientos 1 y 2 (Figura 8.2.) fueron obtenidos de la las fotos SAF 1:20.000 (Figura 8.1.),
mientras que los lineamientos 3; 4 y 5 fueron trazados sobre fotos aéreas 1:5.000, considerando
además la topografía del sector. El lineamiento 3 une un portezuelo ubicado al sudeste del mapa de
la Figura 8.2., una vertiente y el inicio de un valle. El lineamiento 4 se ubicó basado en la distribución
de una línea de vegetación. El lineamiento 5 se ubicó pasando por un portezuelo y la vertiente.
A partir de los lineamientos de la Figura 8.1 y 8.2 se definieron las líneas de prospección presentadas
en la Figura 8.3. Las líneas de prospección se trazaron de tal forma que corten a los lineamientos
para poder realizar su interpretación.
Figura 8.2. Ubicación de los lineamientos Cuadriculado cada 50 m).
N
L3
L2
L1
Figura 8.3. Líneas de Prospección
El estudio radiactivo se realizó sobre las líneas de prospección cada 20 m. Las mediciones en cada
punto fueron por 5 minutos. Además se midió en las cercanías de la vertiente, totalizando 150 puntos.
Los resultados se presentan en las Figuras 8.4, 8.5 y 8.6, que muestran la distribución gráfica de las
concentraciones de 214Bi, 214Bi/208Tl y radiación gama total.
Figura 8.4. Mapa de Distribución de Radiación Gama por 214Bi.
Figura 8.5. Mapa de Distribución de la relación de radiación Gama por 214Bi y 208Tl (214Bi/208Tl).
Figura 8.6. Mapa de Distribución de Radiación Gama total.
De las figuras se puede decir que los lineamientos 3 y 4 probablemente corresponden a fracturas. En
el caso del lineamiento 3 en las exploraciones geológicas dan mayor seguridad por la presencia de
cuarzo entre granodiorita fracturada y una vertiente ubicada a 10 m de distancia.
La Prospección Electromagnética se realizó sobre las cuatro líneas de prospección, totalizando una
longitud de 1480 m lineales. La Figura 8.7. presenta los resultados de resistividades para las distintas
frecuencias en que se realizaron las mediciones.
Figura 8.7. Resultados de prospección electromagnética. Gráficos de Resistividad Eléctrica
(ohm-m).
Con excepción de la frecuencia de 14080 Hz, se observó que a menores profundidades (altas
frecuencias) las resistividades son mayores y a mayores profundidades (frecuencias bajas) las
resistividades son menores. Entre 220 y 1760 Hz los resultados fueron similares y presentaron cierta
similitud con las prospecciones radiactivas, aunque no exactamente con los lineamientos de las fotos
aéreas.
Las prospecciones Eléctricas se realizaron sobre la primera y tercera línea de prospección señalada
en la Figura 8.3.
Además se realizó una prospección pequeña de 38 m con configuración de
electrodos dipolo-dipolo, separados a 2 m, en un sector de suelo granítico degradado conocido. Los
resultados de esta prueba de calibración mostraron que el suelo granítico degradado tiene una
resistividad entre 10 y 40 Ohm-m.
La Figura 8.8 presenta los resultados de la prospección eléctrica realizada sobre la línea de
prospección 1 (Figura 8.3). Los resultados indicaron que hasta los 40 m de profundidad los niveles de
resistividad fueron de 100 Ohm-m o menores, indicando la presencia de afloramientos.
Los
afloramientos graníticos tienen baja conductividad hidráulica y no son apreciados como buenos
acuíferos, por lo que la línea de prospección 1 no es adecuada para encontrar aguas subterráneas.
Figura 8.8. Resultado bidimensional de la prospección eléctrica realizada en la línea de
prospección 1. Línea corresponde a la intersección con lineamiento 2.
La Figura 8.9 presenta la prospección realizada sobre la línea de prospección 3 (Figura 8.3). En las
cercanías de la distancia 188 m se observó un aumento de la resistividad. Este cambio estructural
coincidió con el resultado de la prospección radiactiva en relación con el lineamiento de dirección E-W.
Figura 8.9. Resultado bidimensional de la prospección eléctrica realizada en la línea de
prospección 3. La línea punteada indica la intersección de la prospección con el linimiento 4 y
5.
En base a los resultados obtenidos se ubicaron áreas para posibles perforaciones. Uno de ellos
correspondió a intersección de los lineamientos 2 y 4, sin embargo la cuenca aportante es muy
pequeña. El otro punto para realizar una perforación del pozo es la intersección de los lineamientos 2,
3 y 5. Esta ubicación posee un área aportante mayor y además tiene relación con el lineamiento 3
que es el que tiene mayor posibilidad de corresponder a una fractura.
Se realizó una perforación de un pozo de 31 m de profundidad, entubado en 4 pulgadas. La ubicación
del pozo correspondió al límite del área señalada por la intersección de los lineamientos 2, 3 y 5,
cerca de la vertiente. La prueba de bombeo entregó la información del caudal del pozo que resultó
0.09 L/s.
8.4
CONCLUSIONES
El trabajo constituye un primer intento de uso de una metodología para prospección de aguas
subterráneas en roca fracturadas en suelos graníticos del secano de Chile. En este trabajo no se
logró mostrar la efectividad de la metodología propuesta para encontrar agua en zonas fracturadas,
sin embargo queda pendiente realizar otras perforaciones puesto que los resultados entregaron un
área para perforación de pozos y no un punto exacto. Además se trata de una metodología compleja
que debe ser calibrada para cada área de interés. Esto supone realizar pruebas en otros sectores de
la comuna de Ninhue u otros lugares que permitirán afinar los procedimientos para determinar si la
metodología es aplicable y si existe agua en las fracturas del secano.
La interpretación de la información es difícil, siendo las prospecciones eléctricas las que presentan un
mejor comportamiento.
Las prospecciones radioactivas y electromagnética no son tan claras y
concuerdan menos con los lineamientos.
8.5
BIBLIOGRAFIA
Advanded Geosciences, 1997. Command Creator V 1.2. User’s Manual.
Advanded Geosciences, 2000. Sting R1, Sting R1 IP and Swift. Instruction Manual.
Advanded Geosciences, 2000. Geoelectric Imaging 2D&3D.
APEX Parametrics Limited, 1998. MAXMIN I+8 EM System. Operation Manual.
Cecioni y Best, 1996. Prospección de Aguas Subterráneas en la Comuna de Portezuelo (Secano
Interior) Región del Bio-Bio, Chile Centro Sur. Proyecto presentado a Fondo Nacional de Desarrollo
Regional (FNDR VIII Región)
Imaizumi, M. 1998. Engineering Geological Study on Discontinuous Deformation in Rock Mass Using
Geochemical Techniques. Development and Application of Radioactivity Prospecting Method.
Ministerio de Agricultura de Tohoku, 1990. Informe de estudio de aguas subterráneas en el sur de la
zona de Abukuma. Japón.
Oyarzun Sepulveda y Asociados y Cia. LTDA., 1982. Fisiografía, GeologíaGeneral y Análisis
Geológico-Estructural. Secretaría regional de Planificación y Coordinación, Región del Bio-Bio.
Selker, J.,D. Rupp, M. Leñam y H. Uribe. 2000. Estudio Hidrológico en el Secano Interior, Resultados
Preliminares del Proyecto Piloto en Portezuelo.
Ward, S, 1990. Geotechnical and Environmental Geophysics. Volume I. Society of Exploaration
Geophysicists.
CAPÍTULO 9
AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIO DE NIVELES
FREÁTICOS EN POZOS
Autores:
Yukio Okuda, Ing. Civil Agrícola
Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola, MS
Octavio Lagos R, Ing. Civil Agrícola, MS©
Consultores Técnicos:
John Selker, Agricultural Eng. MSc. PhD.
David Rupp, Forestry MSc.
AGUAS SUBTERRÁNEAS EN ROCAS FRACTURADAS: ESTUDIO DE NIVELES
FREÁTICOS EN POZOS
9.1.
INTRODUCCIÓN
En el secano de Ninhue existe la posibilidad de extraer agua desde zonas de fracturamiento de rocas
(Figura 9.1. y Foto 9.1.), en las cuales el flujo tiene una relación con el comportamiento estacional del nivel
de agua, por lo que este tipo de información puede ser un buen apoyo en la selección de lugares para
construir pozos.
De acuerdo a mediciones en pozos noria realizadas en el Proyecto CADEPA, los niveles de las aguas
subterráneas fueron variables, aun en pozos colindantes, lo que lleva a suponer la existencia de una
estructuras naturales de baja permeabilidad que no permiten el flujo normal de las aguas subterráneas.
Un de las posibles barreras podrían ser las fracturas.
Se estima que la forma y ubicación de la zona fracturada, puede actuar como barrera para los flujos y
también afectar las fluctuaciones en los niveles de las aguas subterráneas. Lo anterior nos permite
comprender el porqué del flujo heterogéneo de aguas subterráneas en este sector.
En este trabajo se presenta una metodología para tener mejores posibilidades de éxito en la localización
de nuevos pozos en la Comuna de Ninhue.
E sfu er zos de
t r a cción
Transformación
de la falla
Fracturas por fallas (Ewert, 1985)
Figura 9.1. Mecanismo de formación de la falla.
Foto 9.1. Ejemplo de la distribución de grieta en roca granítica.
9.2 GEOLOGÍA
El suelo de esta zona proviene esencialmente de la descomposición de rocas graníticas, encontrándose
estratas meteorizadas cerca de la superficie, pasando al sustrato rocoso granítico a mayor profundidad
(Figura 9.2). El volumen potencial de las aguas subterráneas se concentra en las zonas fracturadas y en
la zona meteorizada, debido a que en sólo éstas se desarrolla porosidad (y eventualmente
permeabilidad).
Capa de granito meteorizado
(Agua subterránea poco profunda)
Nivel
de
agua
subterránea durante
la estación lluviosa
Casa
Bombeo de agua
Pozo
Nivel
de
agua
subterránea durante la
estación seca
Roca granítica
(Fisura agua)
Figura 9.2. Concepto de agua subterránea.
Si nos limitamos sólo a la capa superficial, podríamos considerar que la zona de granito meteorizado y la
zona rocosa fracturada son las vías de flujo del agua. El flujo de las aguas subterráneas se ve afectado
por las distribuciones de las grietas en las zonas fracturadas. Generalmente el sentido o dirección de las
grietas es el mismo que poseen los cauces, sin embargo, si la zona fracturada atraviesa el cauce o esta
en una disposición perpendicular a este, constituye una barrera al flujo de agua, provocando serios
problemas de drenaje. Teóricamente las zonas fracturadas poseen un ancho constante, compuesta de
una porción de grava (de grueso tamaño) y un estrato arcilloso delgado de baja permeabilidad, el que
impide el paso del agua. La parte gravosa de una fractura, posee una alta permeabilidad y al mismo
tiempo es una zona de almacenaje de un importante volumen de agua (Figura 9.3). Por lo tanto, si la zona
fracturada atraviesa el cauce, el nivel de aguas subterráneas se estabiliza en su entorno aguas arriba,
produciéndose una fluctuación mínima del nivel del agua en el tiempo, ya que esta se acumula en la capa
de grava, pudiendo aflorar en la superficie como una vertiente (Figura 9.4). Inmediatamente aguas abajo
de la zona fracturada se produce una importante fluctuación estacional en el nivel del agua subterránea.
Por otro lado, si la zona fracturada se encuentra paralela a la dirección del flujo del cauce, se obtiene una
mejoría en el drenaje, debido a que esta zona actúa como un canal, resultando en un aumento en la
velocidad del agua, provocando fluctuaciones en los niveles freáticos estaciónales. Esta teoría permite
explicar la variación del nivel del agua subterránea en este sector y a la vez, teniendo información de
pozos y lineamientos, definir zonas fracturadas.
Falla de rocas compuestas
Roca
Zona de fractura
Figura 9.3. Estructura de una fractura.
Falla arcillosa
Esquema de flujo deScematic
Sc ematic
agua subterránea
cross section
about the groundwater current
Pozo noria
Ver t ien t e
Spring
Shallow well
Agua
Capa meteorizada
Espesor : 5-10m
Groundwater
subterránea
Roca granítica
Zona de fractura
(Falla)
Pozo profundo
Deep
well
Zona
de fractura
Fracture
zone
(Falla)
(fault)
Figura 9.4. Conceptos de movimiento vertical de agua subterránea y su relación con las fracturas.
9.3
EXPLOTACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA
Los lugares adecuados para el aprovechamiento del agua son las vertientes y aquellos puntos que
posean un volumen de aguas estable durante todo el año (que no bajen en el verano), solucionando así
las necesidades de agua para el riego durante el periodo de sequía, y proporcionando al agricultor un
volumen relativamente estable de este vital recurso.
Los pozos cuyos niveles de agua sufren menor fluctuación durante todo el año, están ubicados en las
zonas con mayor superficie de captación de aguas subterráneas o donde estas últimas son detenidas en
forma natural (por fracturas u otro tipo de obstáculo). En el Sector San José la fluctuación estacional
(variación invierno – verano) promedio del nivel de aguas subterráneas medido en pozos es poco menos
de2 m, por lo que áreas con fluctuaciones anuales menores a 1m, se podrían considerar como
adecuadas. Es probable que estas áreas se encuentren aguas arriba de una la zona fracturada, la cual
actuaría como una barrera natural, impidiendo el flujo, provocando una estabilización en el nivel freático.
Al contrario, en los lugares con fluctuaciones anuales mayores a 4m, probablemente la dirección de la
zona fracturada sea paralela al cauce, actuando como dren. En estas circunstancias, se podría evaluar la
posibilidad de construcción de un muro de contención o barrera artificial que estabilice los niveles del
agua subterránea, como se muestra en la Figura 9.5.
La ubicación de una fractura se puede determinar a partir de lineamiento trazados analizando la
topografía del terreno, manifestándose generalmente en irregularidades tales como, desorden en las
curvas de nivel, cambio repentino en las distancias entre las curvas de nivel y sectores en que los ríos
avanzan en línea recta (Figura 9.6 y Figura 9.7). Esto se relaciona con el hecho de que la zona de grietas
es vulnerable a la acción de la erosión (Figura 9.8).
Fluctuación anual del nivel de agua subterránea
(promedio aproximadamente 2m)
Annual Fluctuation
of Groundwater Level
little
Fluctuaciones
pequeñas
(less than
(menor
a 1 1m)
m)
Suitable
sites for Water
Sitio adecuado
para
Resources Development
desarrollo
de
recurso
(Well, Embankment)
hídricos a través de
pozo o obras de
acumulación
average
(approximately 2m)
Fluctuaciones grandes
(mayor que 4m)
large desarrollo de
Sitio adecuado para
(more than 4m)
recurso hídricos a través de pozo
profundo, construir muro subsuperficial
Site recommendation
of subsurface cutoff wall
Figura 9.5. Conceptos de movimiento de agua subterránea y fracturas (plano).
Lineamiento
Examples of typical topographic feature
related fault existence
CurvasContour
de nivel abnormality
anómalas
Cambios de
dirección
bruscos
River
flow bending
en el flujo de los ríos
Figura 9.6. Ejemplos anomalías topográficas que constituyen lineamientos (posibles fracturas).
Figura 9.7. Mapa para la selección de lugares adecuados de recursos hídricos en el sector de San José.
Crecimiento de fractura (Ewert, 1985)
Figura 9.8. Crecimiento de grietas por la erosión.
La detección de una fractura es una tarea difícil. Para encontrar estos sectores trazan lineamientos en
base a cartas topográficas o estereoscopía. Algunos de los lineamientos podrían ser fracturas, lo que
puede ser determinado mediante prospecciones geofísicas (Ver Capítulo 8):
-
prospección radioactiva: estima el estado del crecimiento de la grieta (zona fracturada) en la
superficie.
-
prospección electromagnética: evalúa la resistividad eléctrica del suelo, ya que un terreno de baja
resistividad eléctrica esta asociada a una fractura.
-
prospección eléctrica: estima la distribución vertical de la resistividad, indicando así la presencia de
fracturas.
Se Podría identificar de una forma más clara la ubicación de las zonas fracturadas, si se prueban estas
tecnologías de prospección, para luego cotejar los resultados. También puede ser útil la información de la
variación estacional del nivel del agua subterránea.
Las fallas no solamente atajan las aguas subterráneas de los cauces que atraviesa, sino también tiene la
capacidad de captar y almacenar gran cantidad de este elemento, por lo tanto, pueden ser muy útiles para
la explotación del agua subterránea en el lecho rocoso. Sin embargo se debe tener en consideración que
no todas las fracturas tienen agua, también pueden estar rellenas con arcillas, siendo difícil discriminar
entre las dos situaciones. En este sentido, la presencia de pozos cercanos y el conocimiento de la
variación estacional del nivel freático pueden ser de gran importancia.
La selección de un lugar optimo para construir un pozo profundo y un pozo noria, siguen los mismos
criterios anteriormente mencionados. La gran dificultad para encontrar lugares apropiados se origina en
determinar la localización de la fractura, sin embargo, existen otras dificultades como la posición vertical.
Aunque se haya estimado la ubicación de la fractura, es posible cometer errores en la ubicación exacta
del pozo por no conocer el ángulo exacto, por lo que siempre existirá un riesgo inminente en la elección
de un punto de perforación.
Las prospecciones radioactivas, eléctricas y electromagnéticas que se usan para buscar las vetas de
aguas subterráneas, necesitan gran cantidad de mano de obra y tiempo, por lo tanto en zonas de fuentes
de agua limitada y con fines agrícolas son útiles a nivel de investigación.
9.4
CONCLUSIONES
En este capitulo se ha tratado de exponer una forma de elegir un lugar adecuado para la construcción de
pozos en el secano, con el fin de aprovechar al máximo las aguas subterráneas, considerando que los
mejores puntos de explotación tienen relación con las zonas fracturadas. Buenos lugares son aquellas
ubicadas aguas arriba de los puntos en los cuales los cauces son interrumpidos por zona de fractura,
donde el nivel freático sube y se hace menos variable, debido a que la fractura se comporta como una
barrera natural al flujo de agua.
La principal fuente de explotación de aguas subterráneas en este sector, son aquellas que se encuentran
a poca profundidad (pozo noria), sin embargo, estos pozos poseen problemas por la poca cantidad de
agua disponible, presentando la mayoría de estos pozos coliformes fecales. No se debe olvidar que estas
aguas son la fuente para el consumo humano, lo que a un corto plazo traerá problemas de salud para las
personas del sector.
Es posible encontrar un punto adecuado para la ubicación de un pozo ocupando la tecnología disponible,
pero aunque esta tecnología disminuye los riesgos, estos nunca son nulos.
Los pozos de poca profundidad (pozo noria), y los pozos profundos poseen ventajas y desventajas, por lo
que es necesario evaluar y planificar, la explotación de la fuente hídrica luego de obtener la mayor
cantidad de información al respecto, siempre con un trabajo en conjunto con los agricultores.
9.5
BIBLIOGRAFÍA
Takagi, K. 2004. Informe del Especialista, Desarrollo de agua subterránea.
Takagi, K. 2002. Informe del Especialista “Agua subterránea poco profunda (Experto Corto plazo)
CAPÍTULO 10
ESTUDIO DE LA CONTAMINACIÓN EN AGUA DE POZO DESTINADA A
CONSUMO HUMANO, EN EL ÁREA DE ESTUDIO DEL PROYECTO CADEPA,
SECTOR SAN JOSÉ, COMUNA DE NINHUE, VIII REGION, CHILE
Autores:
Marcelino Claret M., Dplo. Análisis del Ambiente (INIA)
Rodrigo Ortega B., Ing. Agrónomo Ph.D. (PUC)
Claudio Pérez C., Ing. Agrónomo Ph.D. (INIA)
Roberto Urrutia S. Dr. Ciencias Ambientales (EULA)
Yukio Shinomi ,
Ing. Agrónomo (JICA)
Manuel Palacios M. Ing. Agrónomo (E) (INIA)
Consultores Técnicos:
Hamil Uribe C., Ing. Civil Agrícola MS
Octavio Lagos R., Civil Agrícola MS©
David Rupp, Forestry, MSc.
ESTUDIO DE LA CONTAMINACIÓN EN AGUA DE POZO DESTINADA A
CONSUMO HUMANO, EN EL ÁREA DE ESTUDIO DEL PROYECTO CADEPA,
SECTOR SAN JOSÉ, COMUNA DE NINHUE, VIII REGION, CHILE
10.1
INTRODUCCIÓN
El agua como elemento sustenta la permanencia de toda la vida en la tierra. La vida de cada
individuo y el desarrollo de los grupos humanos dependen en forma crítica de este recurso. Su
ausencia o presencia y su calidad, determinan la salud del hombre y la calidad de vida de toda la
sociedad.
La calidad del agua, sin embargo, no es un término absoluto, sino que dice relación con el uso o
actividad a que se destina; consumo humano, riego, industrias etc. Asociamos el deterioro de la
calidad del agua, con la pérdida de su estado natural, sin embargo para obtener lo que conocemos
como agua potable es necesaria la intervención del hombre cambiando un poco su estado natural,
pero en beneficio de la salud de la población, precisamente el concepto de potabilidad del agua
está determinado por el resultado obtenido después de su tratamiento. La variables más
importantes consideradas para ello son, la presencia de microorganismos patógenos (Coliformes
totales y fecales), los parámetros físicos (turbidez, color, temperatura) y las características
químicas (dureza, nitrógeno, metales etc.,) UNESCO, OMS 1978.
El Código Alimentario Argentino, define que el agua potable, no debe contener sustancias químicas
nocivas (orgánicas o inorgánicas) ni microorganismos perjudiciales para la salud. A este respecto
establece que el agua para consumo humano no deberá contener más de 3 UFC (unidades
formadoras de colonias) de Bacterias Coliformes Totales en 100 ml y Ausencia de Escherichia coli
y Pseudomona aeruginosa, en el mismo volumen (J.A. Basualdo et al, 1997).
Habitualmente la calidad Microbiológica del Agua Potable, es evaluada en forma indirecta por
medio de los denominados indicadores de contaminación fecal. El grupo de los coliformes totales
es el principal indicador utilizado para este fin. Por otro lado la detección de Escherichia coli, es
indicativa de contaminación fecal (J.A. Basualdo et al, 1997).
En Chile la calidad bacteriológica de agua potable está regida por la Norma Oficial NCh 409/1, ella
establece en el punto 7.1 que: “El agua potable debe estar exenta de microorganismos de origen
fecal, cuya presencia se establece en base a la determinación de gérmenes del grupo coliforme”.
Sin embargo esta norma está formulada para cualquier sistema de redes de agua potable y nada
menciona para los miles de pozos que existen en el país cuyas aguas no tiene ningún tratamiento
de potabilización.
La presencia de bacterias coliformes en el agua para consumo humano, constituyen un importante
parámetro de su calidad, por cuanto aunque no son generalmente patógenas, si son indicadoras
de la presencia de microorganismos potencialmente patógenos y por lo tanto constituyen un índice
de manejo sanitario deficiente de una fuente de agua (Hunter et al, 2000). La ingestión de agua
contaminada por coliformes incrementa el riesgo para humanos, de contraer enfermedades
infecciosas (Usepa, 1986).
Una situación similar se describe en numerosos estudios respecto de la contaminación química de
las aguas por nitratos (N-NO3-) incluso estableciendo algunos de ellos una relación entre la
contaminación por Coliformes y Nitratos.
La contaminación de aguas con nitratos, puede provocar toxicidad aguda en humanos con mayor
probabilidad en los niños, pudiendo tener resultados fatales en menores de 6 meses sin un
tratamiento a tiempo y adecuado. Esta enfermedad de denomina “Síndrome del Niño Azul” o
Metahemoglobinemia. En esta enfermedad los nitratos, transforma la hemoglobina que transporta
oxígeno a las células en metahemoglobina que no transporta oxígeno (Distrito de Salud Ambiental
de Benton y Franklin, Usa, 1999).
Los N-NO3-, en el intestino humano pueden ser transformados en nitritos aún más tóxicos. La
exposición crónica a nitratos/nitritos incluye diuresis, depósitos de almidones crecientes y
hemorragia del Bazo (Grupo de Educación Ambiental, Intendencia de Montevideo Uruguay, 2001).
Un estudio realizado el año 1996 en Indiana, USA determinó que el consumo de aguas con
concentraciones de nitratos-, entre 19 y 29 mg/l N-NO3- aumentaba la frecuencia de abortos
espontáneos (Noland B, 1999, citado por Perdomo C. H., 2001).
Por las razones descritas los países del mundo han establecido normas que determinan niveles
críticos de concentración de NO3-, en el agua para consumo humano, como por ejemplo, 10 mg/l
N-NO3- en USA (USEPA, 1986), 11.3 mg/l N-NO3- en la Comunidad Económica Europea (Smith et
al, 1996).
En Chile el nivel crítico de nitratos, para el agua potable, lo establece la Norma Oficial NCh 409/1,
en 10 mg/l, sin embargo hace la salvedad que: “El Ministerio de Salud puede aceptar un contenido
mayor de estas sustancias”, no explicando de acuerdo a que criterios.
Los metales pesados u oligometales presentes en el ambiente muchos de ellos esenciales para
nuestra vida, pueden transformarse en serios problemas de salud cuando se ingieren
concentraciones por sobre los límites permitidos, una de las vías más frecuentes de ingesta de
estos elementos son el aire y el agua. Los metales pesados se encuentran naturalmente en el
ambiente constituyendo las rocas, sin embargo su ciclo natural y concentraciones están siendo
dramáticamente alterados por el hombre.
Cuando los ciclos de los metales son alterados y acelerados por el hombre inevitablemente pasan
a constituir un problema por cuanto estos elementos útiles para el organismo empiezan a ser
ingeridos en concentraciones no naturales producto de la acumulación de ellos en el ambiente. Los
metales depositados en superficie producto de la lixiviación e infiltración alcanzan finalmente las
napas subterráneas contaminándolas por décadas.
Los metales dentro del organismo humano en concentraciones no adecuadas, pueden interrumpir
reacciones químicas o bloquear la absorción de los nutrientes esenciales o pueden cambiar las
formas de compuestos químicos esenciales para la vida. Algunos metales se unen a nutrientes en
es estómago lo que evita su absorción, el resultado de estas acciones dependerá del metal
específico y del órgano corporal afectado.
Algunos de los metales frecuentemente citados por la literatura, son el Cadmio, Níquel, Cobre y
Cinc. Resulta entonces interesante pesquisar en un estudio si estos metales de alguna forma han
podido llegar a las napas subterráneas y si están siendo ingeridos inadvertidamente, en
concentraciones no apropiadas lo cual constituiría un riego potencial para la salud de la población
En el contexto descrito los objetivos de este estudio fueron:
•
Determinar y verificar la Calidad del Agua de pozos noria destinada al consumo humano, a
través de algunos parámetros físicos, químicos y biológicos, en el área del Proyecto
CADEPA
•
Pesquisar mediante tecnologías GPS, SIG y Geoestadísticas, la dependencia espacial de
las variables estudiadas, con el fin de obtener mapas de distribución de posibles
contaminantes.
10.2 DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO
El área de estudio de una superficie aproximada a las 2000 ha. se ubica en las coordenada 36º 25'
de latitud sur y 72º 31' de longitud oeste. Los agricultores suman aproximadamente 100 , están
ubicados en el área de estudio del proyecto CADEPA y desarrollan en su mayoría una agricultura
de subsistencia.
La litología dominante en el sector es roca metamórfica con importantes contenidos de arcilla,
cuyas características involucran suelos de muy baja permeabilidad y mal drenaje favoreciendo la
escorrentía superficial y ocasionando una grave erosión. Los suelos son destinados al cultivo de
trigo y leguminosas y plantaciones forestales, quedando grandes superficies solo con pradera
natural. La topografía dominante del sector es ondulada con pendientes simples y complejas, en
los sectores más cercanos a la Cordillera de la Costa.
El clima es Mediterráneo Marino (clasificación Papadakis), la precipitación anual alcanza a los 700
mm, su temperatura media anual es e 14.7 ºC, su evapotranspiración potencial alcanza a los 1244
mm, esto ocasiona varios meses del año más o menos septiembre a marzo con déficit hídrico.
(Estación metereológica Cauquenes).
Foto 10.1. Área de Estudio.
El abastecimiento de agua recurso crítico para el sector es obtenido en su totalidad de napas
subterráneas, mediante la excavación de pozos noria de distinta profundidad, muchos de ellos no
entubados o revestidos. Algunos pozos se secan en verano debiendo en algunos casos recurrir a
la solidaridad de sus vecinos para obtener el agua, o de camiones aljibes provistos por
la
Municipalidad.
No poseen sistemas de alcantarillados para evacuar sus desechos, utilizando entonces pozos
negros excavados en el suelo, sin revestimiento (salvo excepciones) construidos muchas veces
muy cerca de su pozo de abastecimiento de agua, con un evidente riesgo potencial de
contaminación de su fuente. No manifiestan conocer normativas que les indiquen distancias
mínimas a considerar para un adecuado resguardo y protección de sus pozos de agua, no es una
práctica habitual clorar el agua, y en algunos casos que si lo hacen, no poseen conocimientos
sobre volúmenes adecuados ni frecuencia para la cloración, tampoco consumen el agua hervida,
principalmente por el cambio del “sabor”.
La escasa cantidad de agua que proveen sus pozos, es utilizada para el consumo y preparación de
alimentos diarios y el riego de pequeñas huertas con hortalizas para el consumo familiar cuando
esto es posible.
10.3 MATERIALES Y MÉTODOS
El muestreo se realizó a todos los agricultores del proyecto CADEPA. Cada Agricultor recibió la
información de la naturaleza del estudio y se le solicitó su autorización para la toma de la muestra
de agua. Cada Pozo Noria muestreado fue georeferenciado con GPS Garmin III Plus.
El tamaño de la muestra fue de 92 agricultores que son la totalidad de los agricultores actualmente
participando en el Proyecto CADEPA. Para la totalidad de las muestras de agua obtenidas se
analizó la concentración de coliformes totales, fecales y nitratos y se midió también in situ,
Conductividad Eléctrica, Temperatura y Concentración de iones Hidrógeno (pH).
Para una muestra representativa de 40 agricultores, se analizó además la concentración en las
muestras de agua de los siguientes metales pesados; Ni, Cd, Zn y Cu.
Las muestras se tomaron con metodología de rutina del Centro EULA, con la participación directa
de este centro durante todo el muestreo.
Las muestras de agua se tomarán en cada caso de la misma forma como lo hace a diario el
agricultor. El procedimiento contempló para los casos donde existía llave, dejar correr el agua por
espacio de 3 min para lograr la estabilización del flujo, luego se abrió el frasco bajo el chorro, solo
los segundos necesarios para llenar dos tercios del frasco. Para los casos donde no existía llave, el
agua se obtuvo del mismo pozo mediante un balde, del cual se obtuvo la muestra. Para las
muestras destinadas a análisis microbiológico se utilizaron frascos sellados y esterilizados en
autoclave . Para nitratos y metales pesados se utilizaron frascos sellados y desmineralizados.
En cada muestreo y utilizando el jarro de 1l fueron tomadas in situ, la Conductividad Eléctrica. PH y
Temperatura del agua, mediante Kit Sartorius.
Luego de tomadas las muestras estas fueron refrigeradas en Cooller destinado para este
propósito. Todas las muestras tomadas fueron ingresadas a laboratorio para análisis el mismo día
de colecta.
El análisis microbiológico se realizó mediante la técnica de Tubos Múltiples; método cuantitativo
para estimar la concentración de bacterias en el agua. El análisis de nitratos y metales pesados se
realizó con metodologías que responden a estándares internacionales para este tipo de análisis.
Todas las muestras tanto microbiológicas como químicas fueron analizadas por los laboratorios del
Centro Medioambiental Europa América Latina EULA de la Universidad de Concepción.
Obtenidos los resultados del análisis de laboratorio, se procesó estadísticamente la información
mediante sw SAS y el método geoestadístico índice de Moran para determinar la existencia de
dependencia espacial de las variables estudiadas.
Obtenidos los resultados de la prueba geoestadística, para las variables que mostraron
dependencia espacial (CE, pH) se construyeron sus variogramas mediante el soft ware Splus,
fueron posteriormente interpoladas con Krigin mediante el soft ware Map Calc, y se obtuvieron los
mapas de la distribución espacial de estas variables en la zona de estudio.
Para las variables que no evidenciaron dependencia espacial (CT, Cf, Nitratos y Metales) se
construyó una planilla en excell asignando los resultados de análisis de las variables a cada punto
de muestreo y se ingresaron a la Plataforma SIG Arc-View. En el módulo de análisis espacial de
Arc-View las variables fueron interpoladas con el método Distancia Inversa, obteniéndose lo mapas
referenciales de la distribución espacial de las variables en el área de estudio.
La base de datos se construyó en el Sistema de Proyección Cilíndrica UTM, en el Datum
Sudamericano del 69 para hacer los datos compatibles con la base general del Proyecto CADEPA.
10.4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
10.4.1 Nitratos
El análisis del agua subterránea obtenida de pozos noria arrojó como resultado un 100 % de las
muestras con NO3-, con un rango de concentraciones desde 0.1 mg/l a 47.28 mg/l, su promedio fue
de 6.69 mg/l . La distribución de las concentraciones tiene un desplazamiento a los valores bajos
con un 66.3%, de valores inferiores a 5 mg/l; un 13 % entre 5.01 y 9.99 mg/l; un 19.6 % de valores
entre 10 y 44.3 mg/l y solo un 1.1% fuera de la norma Chilena NCh 409/1(Sobre 44.3 mmg/l NO3-).
Concentración de Nitratos en Agua de Poz os Noria Proyecto
CADEPA
n = 92
50
N. Ch. 409/1
45
40
NO 3 (mg/l)
35
30
25
20
15
10
5
0
1
5
9
13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89
Pozos
Figura 10.1. Nitratos en agua de pozos noria
Distribución de Frecuencia de Concentraciones de Nitratos
en Poz os Noria
Proyecto CADEPA
n = 92
70
61
60
Frecuencia
50
40
30
20
12
10
5
4
4
3
1
0
1
1
0
0a5
5 a 10
10 a 15 15 a 20 20 a 25 25 a 30 30 a 35 35 a 40 40 a 45 45 a 50
Rangos de Concentracion de Nitra tos mg/l
Figura 10.2. Frecuencia de Concentraciones de Nitrato
10.4.2 Coliformes
Según criterios bromatológicos, la sola presencia de estos microorganismos en el agua, es un
indicador cualitativo de contaminación, por lo que aún las aguas con niveles bajos de coliformes
con consideradas contaminadas (USEPA, 1986, citada por Perdomo, C.H., 2001). Sin embargo a
mayores concentraciones de ellos en el agua aumentan también la probabilidad de que contengan
algún microorganismo patógeno (Perdomo, C.H.,2001).
Los resultados del análisis microbiológico del agua de los pozos del área de estudio del proyecto
CADEPA expresados como coliformes / 100 ml, mostraron que
un 78.3 % (72 pozos) están
contaminados con C. Fecales y un 88 % (81 pozos)con C. Totales.
Los resultados obtenidos, evidencian una contaminación generalizada con coliformes, sin embargo
y aunque las medias de ambos grupos, 105 C.Totales/100 ml y 61 C. fecales /100 ml son valores
altos, tambien lo son sus desviaciones estándar, lo que muestra que también existe un gran
número de valores de bajas concentraciones, 48.9 % C. Fecales y 31.5 % C.Totales menores o
iguales a 5 Coliformes /100 ml .
La norma Chilena NCh 409/1, dice que: “en condiciones ideales el agua potable debe estar exenta
de microorganismos de origen fecal, cuya presencia se establece en base a la determinación de
gérmenes del grupo coliforme’’.
Como se ha descrito antes es numerosa la bibliografía que reporta afecciones digestivas asociadas
a la ingesta de alimentos y/o agua contaminada por coliformes, por lo tanto se considera
importante dedicarle a este problema una atención especial con el fin de minimizar los riesgos a la
salud de la población.
Los coliformes fecales encontrados en las muestras de agua analizadas en el presente estudio,
aún en concentraciones bajas exceden ampliamente la normativa que indica que el concepto de
potabilidad del agua para consumo humano implica ausencia en el agua de este tipo de
microorganismos de origen fecal.
Concentración de Coliformes Fecales en Agua de Pozos Noria
Proyecto CADEPA
n = 92
1000
Coliformes Fecales/100 ml
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1
4
7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91
Pozos
Figura 10.3. Concentración Coliformes Fecales
La Norma Chilena NCh 409/1, no especifica un nivel crítico para Coliformes Totales, aún cuando
ellos pueden potencialmente contener algunos patógenos tales como; Salmonellas, responsables
de la transmisión de tifus y paratifus en humanos, Klebsiellas y Proteus responsables de trastornos
digestivos severos.
El Código Alimentario Argentino (CAA), determina el nivel crítico para Coliformes Totales en 3
Unidades Formadoras de Colonias (UFC) por cada 100 ml de agua.
Ante la ausencia de normativa Chilena a este respecto, este estudio ha tomado este valor de
referencia para los Gráficos y mapas de este grupo de gérmenes.
Concentración de Coliformes Totales en Agua de Pozos Noria
Proyecto CADEPA
n = 92
1000
Coliformes Totales/100 ml
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1
4
7
10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91
Pozos
Figura 10.4. Coliformes Totales en agua de pozos noria
10.4.3 Metales Pesados
Los metales pesados u oligoelementos sin duda cumplen un importantes rol
en nuestro
organismo, sin embargo en altas concentraciones pueden también ocasionar severos daños
fisiológicos y estructurales a nuestro cuerpo.
Los resultados de los análisis muestran en el agua, concentraciones muy pequeñas de, Zn y Cu , y
ninguno de ellos excede la Norma Chilena.
Solo un 34 % de las muestras analizadas presentó concentraciones de cobre, cuyo valor crítico
según norma NCh 409/1 es de 1 mg/l con la salvedad de que el Ministerio de Salud puede acepta
un contenido mayor de esta sustancia (no se especifica de acuerdo a que criterios).
El valor de concentración medio para el Cobre fue de 0.0035 mg/l, 286 veces bajo la Norma, esto
indica que este metal pesado no reviste ningún riesgo para la salud humana.
Concentración de Cobre en Agua de Poz os Noria
Proyecto CADEPA
n = 39
0.04
0.035
Cu mg/l
0.03
0.025
0.02
Cobre (mg/L)
0.015
0.01
0.005
0
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Pozos
Figura 10.5. Cobre en agua de pozos noria
Aproximadamente un 80 % de la muestras presentaron concentraciones de zn. La Norma Chilena
establece para el Cinc un nivel crítico de 5 mg/l. El valor medio registrado fue de 0.009, 556 veces
bajo la Norma y un valor máximo de 0.047 mg/l, 106 veces bajo la Norma, por lo tanto, los valores
encontrados en este estudio no revisten ningún riesgo para la salud humana
Concentración de Cinc en Agua de Poz os Noria
Proyecto CADEPA
n = 39
0.05
0.045
0.04
Zn mg/l
0.035
0.03
0.025
Zinc (mg/L)
0.02
0.015
0.01
0.005
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Pozos
Figura 10.6. Cinc en agua de pozos noria
Aproximadamente un 38 % de la muestras presentaron concentraciones de Níquel como la Norma
Chilena no establece un nivel crítico para este metal, es difícil establecer por ahora, si estas
muestras están sobre o bajo un nivel crítico que pueda afectar la salud humana. El valor medio
obtenido para las muestras fue de 0.0036 mg/l, y el valor máximo encontrado fue de 0.014 mg/l, es
decir 36 veces sobre el valor medio registrado.
Concentración de Níquel en Agua de Poz os Noria
Proyecto CADEPA
n = 39
0.016
0.014
Ni mg/l
0.012
0.01
0.008
Níquel (mg/L)
0.006
0.004
0.002
0
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Pozos
Figura 10.7. Níquel en agua de pozos noria
Observación: El análisis químico realizado por el laboratorio del Centro EULA para este
estudio, no encontró en las muestras de agua analizadas concentraciones de Cadmio por
sobre el límite de detección de los equipos.
10.4.4 Análisis Estadísticos
Mediante el uso del sw SAS para análisis de varianza, se obtuvo las estadísticas básicas y
Coeficiente de Correlación de Pearson. La Matriz de Resultados muestra una correlación
significativa (<0.05 Correlación significativa) entre Conductividad Eléctrica (CE) y Concentración
de Nitratos con un valor <0.001. La matriz también muestra buena correlación entre CE y pH, con
un valor de <0.0031.
Se aplicó mediante el sw splus, el análisis geoestadístico Índice de Moran, para determinar la
dependencia espacial, de las variables estudiadas, el análisis arrojó los resultados mostrados en la
Tabla 10.1.
Tabla 10.1. Índice de Moran
Variable
I de Moran
Valor de P
Observaciones
Conductividad Elect.
0.083
0.001
Dependencia Espacial
Ph
0.099
0.000
Dependencia Espacial
Coliformes Totales
-0.019
0.766
s/Dependencia Espacial
Coliformes Fecales
-0.011
0.999
s/Dependencia Espacial
Nitratos
-0.019
0.753
s/Dependencia Espacial
Cobre
-0.022
0.844
s/Dependencia Espacial
•
Un valor P < 0.1 evidencia dependencia espacial
Se obtuvieron los variogramas de las variables CE (Figura 10.8) y pH (Figura 10.9) que mostraron
dependencia espacial, para obtener el radio en que cada variable es dependiente. Luego se interpolo
con Krigin. Los mapas obtenidos muestran con precisión, valores de estas variables para sitios no
muestreados dentro del área de estudio.
0.025
0.020
2
0.015
Varianza (dS/m)
Nu gg et = 0 .00 8
0.010
Si ll
= 0 .02 1
Ra ngo = 1 00 0 m
0.005
mod el o = e sféric o
0
500
1000
1500
Distancia ( m)
2000
2500
Figura 10.8. Variograma Conductividad Eléctrica
0.3
0.2
Varianza (unidades)
2
0.4
El variograma muestra que la CE, tiene un radio de Dependencia espacial cercano a 1 km.
Nu gg et = 0 .07 4
S ill
= 0.36
Rang e = 555 m
0.1
mo de lo =e sféric o
0
500
1000
1500
Distancia ( m)
2000
2500
Figura 10.9. Variograma de pH
El variograma muestra que la variable pH, presenta un radio de dependencia espacial cercano a los
0.5 km.
Las Variables Coliformes Fecales, Coliformes Totales, Nitratos y Metales pesados, que no mostraron
dependencia espacial fueron interpolados en el Módulo espacial de Arc- View, con el Interpolador
Distancia Inversa (IDW). Los mapas obtenidos para las variables de mayor importancia respecto de
la salud se muestran en las figuras 10.10 a 10.14.
Los Mapas obtenidos por IDW, solo constituyen tendencias para cada una de las variables y no
constituyen un método preciso para encontrar concentraciones exactas de ellas en lugares no
muestreados de la zona de estudio. Por lo tanto las zonas que los mapas muestran fuera de norma,
solo debe considerarse como una probabilidad.
10.5 CONCLUSIONES
1.
Se encontró altos porcentajes de contaminación del agua de bebida con Coliformes
Fecales y Totales en el área de estudio. Lo que constituye un riesgo potencial para la salud
de las familias afectadas.
2. Todas las muestras de agua del área de estudio registraron concentraciones de nitratos
pero solo una excede la Norma Chilena para Agua de Consumo Humano.
3. Algunas muestras registraron concentraciones de cobre y cinc, todas ellas por debajo de la
Norma Chilena para Agua de Consumo Humano.
4. Algunas muestras presentaron distintas concentraciones de níquel, dicho metal no está
consignado en la norma chilena.
5. Se encontró dependencia espacial, para las variables Conductividad Eléctrica, pH y
Temperatura.
6. No se encontró dependencia Espacial para las variables, Coliformes Fecales, Totales,
Nitratos ni Metales pesados.
7. Es necesario un estudio de continuidad, que determine con un alto porcentaje de de
seguridad el origen de la contaminación por coliformes y nitratos.
10.6 BIBLIOGRAFÍA
Isaaks.-Edward H.; Mohan Srivastava.-R.: An Introduction Applied Geostatistics, New York
Oxford,1989.
V. Conesa Fdez.- Vítora.: Guía Metodológica para la Evaluación del Impacto Ambiental,
Madrid,1997.
Informe País.: Estado del Medio Ambiente en Chile, Chile 1999.
Instituto Nacional de Normalización. Compendio de Normas Chilenas ‘’Calidad del Agua’’. Chile.
2001.
Figura 10.10. Mapa de distribución de coniformes fecales
Figura 10.11. Mapa de distribución de coniformes totales
Figura 10.12. Mapa de distribución de concentración de cobre
Figura 10.13. Mapa de distribución de níquel
Figura 10.11. Mapa de distribución cinc
CAPITULO 11
ENERGÍAS RENOVABLES PARA EL BOMBEO DE AGUA
AUTORES:
Octavio Lagos. Ing. Civil Agrícola Ms © .
Gabriel Merino. Lic. Física, PhD.
CONSULTORES TECNICOS:
Mario Lillo. Ing. Civil eléctrico, MSc, PhD ©
Hamil Uribe. Ing. Civil Agrícola, Ms.
Yukio Okuda. Ing. Civil Agrícola.
ENERGÍAS RENOVABLES PARA EL BOMBEO DE AGUA
11.1.
INTRODUCCIÓN
Fuentes de energías renovables, tales como energía solar y eólica, son ampliamente utilizadas en la
agricultura. Su uso se ha desarrollado principalmente para el abastecimiento doméstico de agua y para
proveer de energía a pequeños sistemas de bombeo con fines de riego. Su mayor desarrollo ha estado
orientado a lugares remotos donde comúnmente existen importantes distancias a los sistemas de
distribución de energía eléctrica tradicional.
Estudios y trabajos de campo realizados por INIA en el secano interior de la provincia de Ñuble, han
constatado la dificultad que poseen pequeños agricultores para regar adecuadamente cultivos que
puedan aportar recursos económicos a sus familias. Una de las razones de esta situación, son los costos
operacionales por concepto de energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de equipos de
bombeo. Esto deriva en que, aún existiendo subsidios otorgados por organismos gubernamentales para
implementar sistemas de riegos, estos no son operados adecuadamente debido a los altos costos de
operación en relación a los pequeños ingresos de los agricultores. Esta situación es particularmente
crítica para el caso de riego de huertos frutales debido al lapso de tiempo entre la fecha de plantación y la
entrada en plena producción de los frutales. Lo anterior lleva a considerar sistemas de bombeo
alimentados con energías solar y eólica como alternativas a ser estudiadas como posibles soluciones del
problema. La razón de ello son los mínimos costos de operación que poseen estos sistemas y la madures
tecnológica alcanzada por ellos.
11.2. Energía Fotovoltáica.
Los sistemas de bombeo fotovoltaicos son ampliamente utilizados a escala mundial, especialmente en
lugares rurales y remotos. El bombeo fotovoltaico puede ser realizado tanto desde pozos noria, pozos
profundos, riveras y canales.
En la figura 11.1, se ilustra un ejemplo de un sistema de bombeo fotovoltaico en el cual la energía
eléctrica generada en el arreglo fotovoltaico acciona una motobomba de corriente continua, la cual a su
vez bombea agua a un estanque para su posterior distribución.
Arreglo fotovoltaico
Bombeo de agua en
pozo noria
Acumulación de agua
Sistema de riego
Figura 11.1 Representación esquemática de un sistema de bombeo fotovoltaico
11.2.1 Celdas fotovoltáicas
La unidad básica de todo sistema fotovoltaico es la celda fotovoltaica, ya que en ella se transforma la
energía proveniente del sol, en forma de radiación, en energía eléctrica necesaria para accionar la unidad
de bombeo. En términos eléctricos, una celda fotovoltaica actúa como una fuente de corriente continua,
en la cual, la intensidad de corriente generada depende directamente de la radiación incidente sobre ella.
Las celdas fotovoltaicas son fabricadas a partir de semiconductores. En el mercado existen muchos tipos
de celdas fotovoltaicas, existiendo también varios en desarrollo. En ellas se alcanza como máximo un
20% de eficiencia en la conversión de energía solar en energía eléctrica.
Las celdas de silicio cristalino son las más comunes (Figura 11.2) pero las multicristalinas son más
baratas. Otros semiconductores están siendo investigados con el objeto de aumentar el rendimiento y
disminuir los costos.
finger
ARC
unión
Emisor tipo n
Base tipo p
Contacto posterior
Figura 11.2. Representación de la típica celda de silicio usada hoy en día.
La operación de las celdas fotovoltaicas se basa en la unión de dos semiconductores dopados con
impurezas. Tal unión al ser iluminada por la luz solar genera una diferencia de voltaje entre sus extremos,
de aproximadamente 0.5 V, y una corriente eléctrica. La corriente eléctrica generada por la celda
dependerá fuertemente de la intensidad de la radiación que incide sobre ella, no así el voltaje generado
por la celda fotovoltaica, cuya magnitud permanece casi constante una vez que la celda fotovoltaica es
iluminada.
La corriente eléctrica generada en la unión en el semiconductor es extraída por contactos al frente y en la
parte posterior de la celda fotovoltaica. La estructura del contacto superior, la cual permite el paso de luz,
es ampliamente espaciada mediante tiras delgadas de metal, llamadas fingers (dedos), los cuales surten
de corriente a los conductores eléctricos que conectan las celdas entre sí. Además, la celda está cubierta
con una delgada capa de material dieléctrico antirreflectante para un mejor aprovechamiento de la
radiación incidente.
11.2.2 Módulo fotovoltaico
Las celdas fotovoltaicas descritas anteriormente, solo son capaces de generar pequeños voltajes y
corrientes por lo cual deben ser conectadas en serie y/o en paralelo para generar corrientes y voltajes
apropiados al sistema que se requiere alimentar. De esta forma surgen los módulos fotovoltaicos como
se ilustra en la Figura 11.3.
Celda Fotovoltaica
Módulo fotovoltaico
Figura 11.3. Representación del módulo fotovoltaico.
La potencia eléctrica generada por un módulo fotovoltaico depende del número y la forma en que hayan
sido conectadas las celdas que lo conforman y además, de la radiación solar y temperatura a que se
encuentren las celdas en un momento dado. Por otra parte, la potencia nominal de un módulo fotovoltaico
en Watt [W], corresponde a la potencia entregada por el módulo bajo condiciones estándares de
radiación y temperatura, las cuales corresponden a:
Irradianza: 1 kW/m2
Temperatura de la celda fotovoltaica: 25º C
11.2.3 Curvas de corriente - voltaje características de los módulos
Cada módulo fotovoltaico tiene una curva corriente-voltaje característica, la cual representa los posibles
puntos corriente-voltaje a los cuales podría operar el módulo en condiciones nominales, cuales son una
irradianza de 1000 W/m2 y temperatura de la celda fotovoltaica de 25º C. Esta curva varía de acuerdo a
las condiciones ambientales de radiación y temperatura imperantes. La corriente capaz de ser generada
por un módulo fotovoltaico varía fuertemente con los niveles de radiación imperantes y lo mismo ocurre
para el voltaje pero en función de la temperatura de las celdas. Estas variaciones se ilustran en la figura
11.4
Punto de operación
1/R
Figura 11.4. Curva característica corriente-voltaje de un módulo fotovoltaico.
El punto de operación del sistema, vale decir la corriente y voltaje en que opera el sistema en un instante
dado, estará dado por la intersección entre la curva corriente-voltaje del módulo fotovoltaico y la curva
corriente-voltaje de la carga eléctrica (motobomba, baterías, etc.) que estén conectadas a los módulos.
Por tal razón si se conecta directamente una motobomba a los módulos la corriente consumida por la
bomba estará directamente determinada por la corriente y voltaje que es capaz de generar cada módulo
de acuerdo a las condiciones ambientales imperantes.
Otro aspecto importante a considerar es que la corriente eléctrica que generan los módulos es de tipo
continua y con voltajes nominales de 12 o 24 V (dependiendo del módulo) a diferencia de la tensión
alterna de 220 V que proviene de la red eléctrica en nuestro país. Este hecho obliga a usar cargas
eléctricas que operen en corriente continua, las cuales por lo general son de baja potencia o en su
defecto a utilizar inversores de corriente que transformen corriente continua en corriente alterna.
11.2.4 Arreglo fotovoltaico
Éste es la parte medular de un sistema fotovoltaico. Consiste en módulos interconectados para generar la
potencia que alimenta el sistema. En esta unidad los módulos fotovoltaicos son conectados
eléctricamente en serie para generar el voltaje y corriente necesarios para operar la motobomba o para
cargar baterías dependiendo de la configuración del sistema de bombeo. A una potencia nominal dada
del sistema se puede aumentar el voltaje conectando una mayor cantidad de módulos en serie con la
consiguiente disminución de módulos conectados en paralelo y por lo tanto con disminución de la
corriente. La figura 11.5 esquematiza un arreglo fotovoltaico.
Módulos en serie
Módulos en paralelo
Arreglo Fotovoltaico
Figura 11.5. Esquema general de un arreglo fotovoltaico.
11.2.5 Configuración del sistema de bombeo fotovoltaico
Existen múltiples configuraciones posibles para un sistema de bombeo basado en energía fotovoltaica.
Para decidir cual de ellas será implementada en un proyecto de bombeo es necesario considerar las
particularidades inherentes al proyecto en cuestión. La Figura 11.6, ilustra en forma general las diferentes
componentes que conforman un sistema de bombeo fotovoltaico, siendo la mayoría de ellas opcionales
dependiendo de la aplicación particular, con excepción de la motobomba y arreglo fotovoltaico.
Tal como se mencionó anteriormente es posible alimentar una motobomba de corriente continua
directamente desde el arreglo fotovoltaico con lo cual se evita el uso de baterías, regulador de carga e
inversor. La autonomía de funcionamiento para un sistema así configurado, durante días de baja
radiación, se puede lograr mediante la incorporación de un tanque de almacenamiento. Una desventaja
de tal sistema será la baja eficiencia de funcionamiento de la bomba debido a las fluctuaciones
temporales de radiación que inciden en la corriente eléctrica que alimenta la bomba.
1
SIMBOLOGIA
1
2
3
4
5
6
Panel Fotovoltaico
Soporte panels
Control
Regulador de Carga
Banco baterías
Bomba DC
4
3
2
6
5
Figura 11.6. Componentes de un sistema de bombeo fotovoltaico
11.2.6 Baterías eléctricas
Otra opción para lograr autonomía de funcionamiento, es adicionar a la configuración anterior un banco
de baterías y regulador de carga. Las baterías permiten mantener en la bomba voltaje y corriente casi
constante con lo cual se mejora notablemente la eficiencia de funcionamiento de la bomba y a la vez se
almacena energía en las baterías lo que permite el funcionamiento del sistema durante días de baja
radiación o durante horas nocturnas. También es posible agregar un estanque de almacenamiento de
agua para reducir el tamaño del banco de baterías. Las baterías más usadas son las baterías de plomoácido de ciclo profundo. La razón de ello es que éstas soportan ciclos de descarga de hasta un 80% de
su capacidad. La vida útil de ellas normalmente alcanza a los 7 u 8 años si los sistemas han sido
diseñados e instalados adecuadamente. Cabe recalcar que si se ha decidido incorporar baterías con el
propósito de almacenar energía, el dimensionamiento del banco de baterías debe ser estudiado
acuciosamente ya que el banco de baterías puede representar una componente sustantiva en los costos
del sistema.
11.2.7 Regulador de carga
Una componente esencial del sistema de bombeo, cuando se han incorporado baterías en este, lo
constituye el regulador de carga. En efecto este artefacto protege al banco de baterías de descargas
excesivas provocadas por la unidad de bombeo y de sobrecargas provocadas por el arreglo fotovoltaico.
De no ser incluida esta componente la vida útil de las baterías sería reducida notablemente. Este
artefacto por una parte desconecta la bomba del sistema en el caso de que las baterías estén
descargadas y no se disponga de radiación solar suficiente para el funcionamiento de la bomba, y por
otra desconecta el arreglo fotovoltaico del banco de baterías si éstas están a carga máxima.
11.2.8 Inversor de corriente
Existen circunstancias en las cuales podría resultar conveniente transformar la corriente continua que
produce el arreglo fotovoltaico y la corriente que entregan las baterías en corriente alterna. Una situación
típica de esto es cuando los caudales de bombeo requieren una potencia cercana o superior a 1 kW. Bajo
estas circunstancias de no pasar de 12 ó 24V en corriente continua a 220V en corriente alterna las
corrientes serian demasiado altas por lo que se haría necesario usar conductores demasiado gruesos y
equipos de control capaces de funcionar con corrientes altas lo cual generalmente los encarece
considerablemente. Por otro lado las motobombas de corriente alterna son de menor costo que las
bombas de corriente continua aunque a veces esto es compensado por el costo extra del inversor en el
sistema.
11.2.9 Ejemplo práctico de un sistema fotovoltaico de bombeo
Este sistema esta diseñado para rendir 5600 lt/día en los meses estivales y 480 lt/día en los meses de
invierno, los rendimientos fueron calculados considerando una irradiación solar promedio de 28.5 MJ/m2
en verano y 5.5 MJ/m2 en invierno. El sistema permite tener una autonomía de funcionamiento de 2 días
en verano y 4 días en invierno.
11.2.9.1. Configuración del sistema de bombeo fotovoltaico
El sistema de bombeo fotovoltaico esta conformado por los siguientes componentes:
ƒ
Tres paneles fotovoltaicos
ƒ
Dos baterías de ciclo profundo
ƒ
Un regulador de carga
ƒ
Una bomba de corriente continua
ƒ
Accesorios eléctricos y soportes correspondientes
Foto 11.1. Instalación de Módulos Fotovoltaicos.
Los paneles instalados en este sistema poseen una potencia máxima de funcionamiento de 94 W cada
uno y están conectados en paralelo. Esta configuración, con tal arreglo fotovoltaico, entrega una
capacidad máxima de 32 volt de tensión y de 8.8 amperes bajo condiciones estándar de radiación y
temperatura, esto es a radiación solar de 1000 W/m2 y temperatura de los paneles de 25 ºC.
Los paneles están instalados sobre un soporte metálico especialmente construido para ellos. Tal soporte
permite cambiar la inclinación de los paneles de acuerdo a la estación del año, aumentando de esta
forma la eficiencia en el uso de la radiación solar disponible. Para este fin el soporte posee partes
ajustables y una graduación fácilmente legible por parte de las personas encargadas del mantenimiento y
operación del sistema. Cabe hacer notar lo indispensable que resulta el limpiar los paneles
periódicamente del posible polvo que se acumulará durante los meses estivales.
Foto 11.2. Ajuste de la inclinación de los paneles Fotovoltaicos.
El arreglo fotovoltaico así constituido entrega corriente continua y voltaje al banco de baterías. El banco
de baterías ha sido diseñado para aportar al sistema autonomía de funcionamiento durante periodos de
tiempo de baja radiación solar. Para tal efecto se han dispuesto dos baterías de 130 amperes-hora
conectadas en serie. El tipo de baterías utilizadas corresponde a las denominadas de ciclo profundo, las
cuales permiten ciclos repetitivos de descarga hasta un 80 % de la capacidad de almacenamiento de la
capacidad nominal de estas. Tales características aseguran una vida útil de las baterías de
aproximadamente 7 años.
Con el objeto de proteger al sistema de baterías de descargas excesivas provocadas por la unidad de
bombeo y de sobrecargas provocadas por el arreglo fotovoltaico se ha incorporado en el sistema un
regulador de carga. Este artefacto por una parte desconecta la bomba del sistema en el caso de que las
baterías estén descargadas y no se disponga de radiación solar suficiente para el funcionamiento de la
bomba, y por otra desconecta el arreglo fotovoltaico del banco de baterías si éstas están a carga máxima.
Foto 11.3. Regulador de carga.
El agua bombeada por el sistema se obtiene desde un pozo noria el cual está ubicado a 50 metros del
arreglo fotovoltaico y baterías. En este lugar se ha instalado una bomba accionada por un motor de
corriente continua con una potencia nominal de 80 W. El voltaje y corriente de operación de la moto
bomba son de 24 volts y 2,7 amperes respectivamente.
La unidad de bombeo tiene un caudal de
bombeo de 13 lt/min a una altura total dinámica de 10 m.c.a., pudiendo operar hasta con 30 m.c.a.
Además, la moto bomba contiene un sensor de presión que permite que ésta sea accionada
automáticamente toda vez que se accionan las válvulas de agua para el riego.
Foto 11.4. Bomba DC, 24V.
11.2.10 Costos asociados al sistema fotovoltaico de bombeo
Cuadro 11.1. Detalle de los costos de un sistema fotovoltaico
Sistema Fotovoltaico
SISTEMA FOTOVOLTAICO
PANELES SOLARES
Soporte metalico paneles
Modulo fotovoltaico Isofoton I94, 24V, 94 W, 2,94A
Cant
Precio
Precio
Unidad Unitario U$ Total U$
1
3
u
u
150,0
691,7
150,0
2075,0
ACCESORIOS
Regulador de Carga Steca solarix Sigma 24V 20A
Cables y elementos electricos en caseta
1
1
u
Gl
133,3
16,7
133,3
16,7
Caja metálica
1
u
50,0
50,0
BATERIAS
Baterias Exide ciclo profundo, 130Ah, 12V
Bornes Baterias, Cables
2
1
u
gl
141,7
16,7
283,3
16,7
1
4,2
1
gl
m3
gl
66,7
2,5
166,7
66,7
10,5
166,7
1
1
1
1
u
u
gl
gl
60,0
16,7
16,7
16,7
60,0
16,7
16,7
16,7
TENDIDO ELECTRICO
Cables, fittings eléctricos, postes , conectores
Zanjas
Instalación eléctrica
EQUIPO BOMBEO
Bomba Shurflo 24V.
sistema Flotacion
fittings
instalación hidráulica
SUBTOTAL
Imprevistos Gastos Generales 5%
TOTAL
3079
154
U$
3.233
11.3. Energía Eólica
Los sistemas de bombeo electro eólicos también son usados ampliamente a través del mundo. Sin
embargo, su aplicación es menos difundida que los sistemas fotovoltaicos. Una importante razón para
ello es la dificultad existente para predecir el rendimiento de tales sistemas. En efecto, la elevada
variabilidad espacial y temporal del viento y los escasos datos registrados de esta variable ambiental
dificultan una predicción asertiva de la potencia obtenible en un lugar determinado. Otra desventaja es la
escasa oferta de turbinas en los mercados, esto último es especialmente válido en el mercado chileno
donde este tipo de tecnologías esta en estado incipiente lo cual dificulta una adecuada elección de las
componentes de los sistemas y a la vez encarece los mismos.
La figura 11.7 ilustra una configuración general para sistemas de bombeo electro eólico.
SIMBOLOGIA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Turbina eólica
Torre
swich parada
Amperímetro
Fusible
Swich desconexión
Banco baterías
Tierra
Tierra
Regulador de carga
Bomba
1
2
6
4
3
5
10
9
11
7
8
Figura 11.7. Configuración sistema bombeo
11.3.1. Turbina eólica
En este tipo de sistemas la parte medular es la turbina eólica o aerogenerador. Esta unidad como su
nombre lo indica genera potencia eléctrica a partir del efecto rotacional que el viento ejerce en sus aspas.
La tecnología asociada a estas turbinas varía de acuerdo a los niveles de potencia considerados. En el
caso de aplicaciones de baja potencia (hasta 10kW), las turbinas generan potencia por medio de un
alternador que genera inicialmente corriente alterna para luego ser convertida a corriente continua por un
sistema basado en diodos. La capacidad de generación de una turbina, como función de la velocidad del
viento, esta especificada a través de la curva de potencia asociada a ella la cual es proporcionada por los
fabricantes. La Figura 6-8 ilustra una curva asociada a una turbina en particular.
700
600
Potencia (W)
500
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
-1
Velocidad del Viento (m s )
Figura 11.8. Curva de generación de potencia de una turbina versus velocidad de viento
Como se aprecia en esta curva la potencia generada por la turbina es altamente dependiente de las
velocidades de viento que puedan existir en un lugar dado. Por tal razón resulta indispensable conocer, al
menos en forma aproximada, una idea de los regímenes de viento que se pueden encontrar en un sitio
específico antes de aventurar la elección de una turbina dada.
11.3.2. Torre de soporte
Una parte fundamental del sistema electroeólico es la torre en cuyo extremo se instala la turbina. Esta
debe estar situada lejos de obstáculos que afecten la velocidad del viento y a la vez, no más lejos de lo
necesario del pozo o fuente de agua para evitar pérdidas de voltaje innecesarias en los conductores. Hay
que tener presente al momento de elegir su lugar de instalación, que una de las ventajas de los sistemas
electroeólicos en relación con los sistemas de viento mecánicos, es que en los electroeólicos se puede
instalar la turbina en un sitio donde los vientos sean lo más favorables independiente de la ubicación de
la fuente de agua. Otro aspecto importante es la altura de la torre, ya que la velocidad del viento cambia
en forma importante en función de la altura. La figura 11.9 esquematiza este fenómeno.
V
25 m
10 m
Figura 11.9. Curva de la variación de la velocidad de viento con la altura
Como regla general y para pequeñas turbinas utilizadas para bombeo, se puede afirmar que los costos
de la torre no aumentan significativamente al incrementar la altura de la torre desde 10 a 25m. A
diferencia del costo, la cantidad de energía aprovechable podría incrementarse incluso en un cien por
ciento.
11.3.3. Regulador de carga
La mayoría de las turbinas eólicas de baja potencia disponibles en el mercado han sido diseñadas para
carga de baterías, por tal razón tienen incorporado un regulador de carga interno que evita la carga
excesiva de baterías. Este regulador sin embargo no evita la descarga excesiva de las baterías por lo
cual para el caso en que se conecte la bomba directamente a las baterías se hace necesario incorporar
otro regulador entre estos elementos que evite tal descarga excesiva.
11.3.4. Ejemplo práctico de un sistema de bombeo electroeólico
La unidad de bombeo eólica ha sido dimensionada para el riego de diversos cultivos aprovechando al
máximo el pozo noria existente en el lugar. El caudal de bombeo ha sido establecido en 30 lt/min
aproximadamente, pero se desconoce la estadística de velocidades del viento en el sitio y altura donde
ha sido ubicada la turbina, por lo cual no se puede adelantar cual será el aporte de agua logrado con el
sistema.
El sistema de bombeo eólico estará conformado por:
•
Aerogenerador
•
Torre de soporte
•
Tres Baterías de ciclo profundo
•
Una bomba de corriente continua
•
Regulador de Carga
•
Accesorios eléctricos
La componente medular de este sistema lo constituye el generador eléctrico eólico. Tal unidad genera
corriente continua a 12 volt. El generador tiene una potencia nominal de 400 W y posee un regulador de
voltaje interno que evita la sobre carga del banco de baterías alimentado por el generador.
Foto 11.5. Generador eléctrico eólico
El aerogenerador ha sido instalado a una altura de 25 m sobre el relieve local en una torre metálica
tubular especialmente diseñada para tal propósito. La altura de ubicación fue calculada para optimizar el
funcionamiento del aerogenerador considerando los regímenes de velocidad de viento como función de
altura obtenidos en el Campus Chillán de la Universidad de Concepción. La torre de soporte consta de
tubos de fierro de 3 pulgadas de diámetro y dos milímetros de espesor y es sostenida por 16 vientos de
cable acerado fijados a 4 anclas de 1 m de longitud.
Foto 11.6. Torre metálica 25 m soporte de turbina eólica.
El aerogenerador alimenta un banco de batería de 3 unidades conectadas en paralelo con una capacidad
de almacenamiento total de 390 Ah. Para evitar una descarga excesiva del banco de baterías, el sistema
incorpora un regulador de carga entre las baterías y la bomba, cuya función es desconectar esta última
cuando la energía almacenada en las baterías alcance un 20% de su capacidad.
11.3.5 Costos de Instalación de los sistemas de bombeo electro eólico.
Los costos de instalación del sistema se encuentran detallados en el cuadro 11.2.
Cuadro 11.2. Detalle de los costos de un sistema eólico.
Sistema Eólico
Cant
Unidad
Precio
Unitario U$
Precio
Total U$
1
u
1200,0
1200,0
1
u
450,0
450,0
Regulador de Carga 12 V
Accesorios eléctricos
Caja metálica
1
1
1
u
gl
u
130,0
66,7
75,0
130,0
66,7
75,0
BATERIAS
Baterias Exide ciclo profundo, 130Ah, 12V
Bornes Baterias, cables
3
1
u
gl
141,7
16,7
425,0
16,7
TENDIDO ELECTRICO
Cables conectores, fitting eléctrico
Fletes
Instalación eléctrica
1
1
1
gl
gl
gl
83,3
33,3
166,7
83,3
33,3
166,7
EQUIPO BOMBEO
Bomba Shurflo 12V
fittings
instalación hidráulica
1
1
1
u
gl
gl
133,3
16,7
16,7
133,3
16,7
16,7
SISTEMA EOLICO
TURBINA
Aerogenerador 400 W, 12 V
TORRE
Torre metalica turbina H= 25m
ACCESORIOS
SUBTOTAL
Imprevistos Gastos Generales5%
TOTAL
2813
141
U$
2.954
CAPÍTULO 12
EL CLIMA EN EL ÁREA AGROECOLÓGICA DEL SECANO INTERIOR
AUTOR:
Isaac Maldonado I., Ing. Agrónomo
CONSULTORES TECNICOS:
Mario Mellado Z., Ing. Agr. M.S.
Héctor Sánchez V., Ing. Agr.
1
EL CLIMA EN EL ÁREA AGROECOLÓGICA DEL SECANO INTERIOR
12.1. INTRODUCCIÓN
El clima de un área define la presencia y el comportamiento de las especies animales y vegetales
que estén presentes; es más la predominancia de unas o la desaparición de otras esta fuertemente
influenciada por este factor.
Desde las primeras civilizaciones el hombre a buscado y utilizando las mas diversas formas para
conocer el comportamiento del clima, y en lo posible predecir lo que pueda acontecer, con
suficiente anticipación, para poder tomar las providencias del caso ante la ocurrencia de
catástrofes climáticas.
En el sector silvoagropecuario es el clima la variable que el hombre no puede manejar y que al
presentar fuertes variaciones incidirá en los resultados productivos que se puedan obtener aún
cuando se haya realizado una gestión administrativa ordenada y eficiente. De ahí la importancia
que tiene el conocer las condiciones climáticas del área en la que se desea producir.
12.2. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA.
El área del secano interior de las regiones VII y VIII se encuentra ubicada entre la vertiente
oriental de la Cordillera de la costa y el Valle regado, que incluye los suelos arroceros de esta
misma área. (Figura 12.1.).
En la figura 12.2. se presenta un corte transversal de Chile la altura del paralelo 36º 30’ S que
muestra las diferentes elevaciones del territorio, su distancia al mar, y las zonas agroecológicas.
En esta área se puede observar un paisaje ondulado que genera sectores bajos y protegidos, a
diferencia de los sectores mas elevados, por lo que el comportamiento de alguna de las variables
climáticas que afectan el desarrollo de los cultivos puede diferir entre estos puntos, tales como: la
velocidad del viento, que tiende a ser menor en los sectores mas protegidos, la presencia de
heladas en los sectores bajos donde se acumulan masas de aire frío, de igual manera la humedad
del suelo que tiende a ser mayor en los sectores bajos, donde se concentra el escurrimiento natural
de las aguas.
2
Figura 12.1. Áreas Agro-ecológicas de la VII y la VIII Región de Chile
Figura 12.2. Corte transversal de Chile indicando la ubicación de las áreas agroecológicas en la
latitud 36º 30’ S.
3
Foto 12.3. Vista general del secano Interior
Además en el área del Secano Interior, y producto del laboreo de los suelos a través de los años
que ocasionó un gran deterioro de los suelos por efecto de la erosión ocasionada por la lluvia y que
si bien registra un promedio anual relativamente bajo con 600 a 900mm, un 80% se concentra en 4
meses, que coincide con la época en que el suelo está desprotegido produciendo un arrastre de
importante volúmenes de suelo hacia los cursos naturales de agua
12.2.1. El Clima
De acuerdo a la clasificación de Papadakis éste corresponde a un clima Mediterráneo Marino, con
valores promedios de precipitación 640 -1.100 mm, concentrándose un 80% del total de agua caída
en los meses de Marzo a Agosto, en tanto que las temperaturas promedio del aire fluctúan de 13.3
ºC a 15.6 ºC con los máximos en el mes de Enero que alcanzan valores de 27 a 31.1 ºC y las
temperaturas mínimas van de 3.9 - 5.2 ºC en el mes de julio. La suma térmica base 5ºC fluctúa de
3547 a 3850 y las horas de frío oscilan entre 850 a 1200 horas (Del Pozo y Del Canto, 1999).
En el área del secano Interior se diferencian, a su vez tres agroclimas en la medida que se avanza
hacia el sur: agroclima de Hualañe, de Cauquenes, y Angol, En la tabla 12-1 se presentan los
rangos promedios entre los que fluctúan las principales variables climáticas de uso
silvoagropecuario.
4
TEMPERATURA ANUAL
(ºC)
Agroclima
Suma Térmica
5ºC
10ºC
Período
Crecimiento
(Meses)
871
3.853
2040
6
6a7
1.154
3.518
1.727
6
---
----
3.009
1.334
7
Horas
PLH*
Frío
Máxima
(Enero)
Media
Mínima
(Julio)
15.6
5.2
29.5
8
14.7
4.7
27.0
13.3
4.4
28.0
Hualañe
Cauquenes
Angol
(*) PLH = Período Libre de Heladas
Tabla 12.1. Información climática de los tres agroclimas que se identifican en el área del secano
interior.
12.3. INFORMACIÓN CLIMÁTICA DEL SECTOR DE HUALAÑE Y CAUQUENES, VII RECION
A continuación se presentan gráficos con las variables climáticos más relevantes en dos puntos de
la VII Región, Hualañé y Cauquenes (información climática obtenida de Del Pozo y Del Canto,
1999).
5
Hualañe
Temperatura ºC
40
30
20
10
0
En
feb
Mar
Ab
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Tº Media
21,6
20,5
18,7
16,3
13,4
10,1
9,6
10,4
12,7
15,2
18,5
20
Tº Máxima
29,5
28,7
26,4
23,5
18,8
14,2
13,9
15,9
18,5
21,4
25,2
27,3
Tº Mínima
13,6
12,3
10,9
9
7,9
6
5,2
4,9
6,8
9
11,7
12,7
Tº Mín. Abs.
Meses de Observación
Temperatura ºC
Cauquenes
40
30
20
10
0
-10
En
feb
Mar
Ab
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
19,8
20,3
18
15,7
12
9,5
9,2
9,7
11,4
13,4
16,6
19,4
Tº Máxima
27
28,8
26,1
22,3
17,3
13,7
13,6
14,6
17,4
19,6
24,2
27,3
Tº Mínima
12,5
11,8
9,8
7,6
6,6
5,2
4,7
4,7
5,3
7,1
9
11,4
Tº Mín. Abs.
8,3
7,5
4,9
2,4
0,3
-1,5
-1,6
-0,3
0,2
2,3
4,8
7,2
Tº Media
Meses de Observación
Figura 12.4. Fluctuación de la temperatura del aire en el sector Hualañé y Cauquenes
6
600
250
500
200
400
150
300
100
200
50
100
0
En
feb
Mar
Ab
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
GD5
459
428
403
300
217
189
130
146
192
260
348
446
GD 10
304
288
248
150
62
39
42
105
198
291
HF Est.
0
0
24
70
130
224
137
62
41
0
238
228
Horas de Frio
Grados Dias
Cauquenes
0
Meses del Ano
600
250
500
200
400
150
300
100
200
50
100
0
Horas Frío
Grados Días
Hualañe
En
feb
Mar
Ab
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
GD5
515
434
425
339
260
153
143
167
231
316
405
465
GD 10
360
294
270
189
105
3
12
81
161
255
310
HF Est.
0
2
9
50
99
153
192
120
47
11
2
189
0
Meses de Observación
Figura 12.5. Acumulación mensual de Grados Días Base 5º’C (GD5), Base 10ºC (GD10) y Horas
de Frío Estimadas (HF Est., <7ºC) en el sector Hualañé y Cauquenes.
7
Pp y ETP (mm)
300
14
12
250
10
8
200
150
6
4
100
50
0
En
feb
Mar
8
5
9
Precipitación
218 181
ETP
0
IH
0
Ab May
Jun
Jul
Ago Sep Oct
37
121
153 147 186
52
Nov
Dic
30
18
10
141
84
38
23
27
40
62
94
114
192
0.1
0.4
3.3
11
7.2
3.4
1.6
0.7
1
0
2
0
Indice de Humedad
(IH)
Cauquenes
Meses de Observacion
300
14
250
12
6
100
4
50
Precipitación
IH
8
150
0
ETP
10
200
2
En
feb
Mar
Ab
May
Jun
Jul
Ago Sep
Oct
Nov
Dic
2
0
9
18
182
239
149
74
43
54
14
10
176
144
102
72
32
20
20
34
51
76
122
130
0
0
0.1
0.3
5.7
12
10
3.6
1.6
1.1
0.2
0.1
0
Indice de Humedad (IH)
Pp y ETP (mm)
Hualane
Meses de Observacion
Figura 12.6. Fluctuación de la Precipitación, Evapotranspiración (ETP) e Índice de Humedad (IH),
en el sector de Hualañé y Cauquenes.
8
12.5. INFORMACIÓN CLIMÁTICA DEL SECTOR DE NINHUE Y PORTEZUELO EN LA VIII
REGIÓN
La información disponible para el Sector San José de Ninhue registra datos desde el mes de mayo
de 2002 al 30 de Agosto de 2004, en tanto que la información proveniente de la localidad de
Portezuelo corresponde al período enero 1997 a diciembre 2003.
San José de Ninhue
Temperatura (ºC)
Tº Mín. Abs.
Tº Mín.
Tº Media
Tº Máx.
Tº Máx. Abs.
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
-5,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
11
12
Mes de Observación
Portezuelo
Tº Media
Tº Mín.
Tº Máx.
Tº Mín. Abs.
Tº Máx. Abs.
Temperatura (ºC)
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
-5,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Mes de Observación
Figura 12.7. Fluctuación de la temperatura del aire en el período 2002 – 2004, sector San José de
Ninhue y Portezuelo.
9
San Jose de Ninhue
500.0
Grados Días
400.0
300.0
200.0
100.0
0.0
Jun
Jul
Ago
Grados días 312.9 254.9 247.4 117.4 41.8 25.0
7.5
31.8 42.7 99.8 160.0 214.9
Horas Frío
En
0.0
Feb
0.0
Mar
0.0
Abr
May
Sep
Oct
26.0 106.7 156.0 231.0 144.0 81.5 33.5
Nov
2.5
Dic
1.0
Mes de Observación
300.0
250.0
250.0
200.0
200.0
150.0
150.0
100.0
100.0
50.0
50.0
0.0
Horas Frio
Grados Dia
Portezuelo
En
Feb Mar Abr May
Jun
Jul
Ago Sep Oct
Nov
Dic
0.0
Grados días 283.6 182.1 151.6 89.8 73.0 20.8 8.3 22.2 49.0 120.8 171.6 214.8
Horas Frío
0.6
2.7
3.0 19.0 107.3 173.9 229.4 100.7 65.6 14.4 2.9
0.0
Mes de Obobservacion
Figura 12.8. Acumulación mensual de Grados Días base 10ºC y Horas de Frío (<7ºC) registrados
en el sector San José de Ninhue y Portezuelo.
10
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
Precip.
En
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
2.6
1.9
22.9 44.1 88.3 128.7 112.1 95.7 54.3 64.9 44.6
8.7
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
Ínice de Humedad (IH)
Precip. y ETP (mm)
San Jose de Ninhue
224.9 180.8 140.7 82.2 52.4 35.6 43.8 64.2 93.5 133.8 170.0 211.0
ETP
0.0
IH
0.0
0.2
0.5
2.4
7.2
5.3
2.8
0.7
0.5
0.3
0.0
Mes de Observación
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
En Feb Mar Abr Ma Jun Jul Ago Sep Oct No Dic
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
Índice Humedad (IH)
Precip. y ETP (mm)
PORTEZUELO
mm. 8.3 34.5 13.1 20.8 163. 210. 112. 121. 90.4 54.3 30.0 5.1
mm. 199. 119. 92.3 77.5 44.0 30.3 36.9 43.0 77.1 126. 155. 164.
IH
0.0 0.3 0.1 0.3 6.5 14.5 6.5 5.8 2.0 0.4 0.2 0.0
Mes de Observación
Figura 12.9. Fluctuación de la Precipitación, Evapotranspiración e Índice de Humedad en el sector
San José de Ninhue y Portezuelo.
11
2.5
300.0
2.0
250.0
200.0
1.5
150.0
1.0
100.0
0.5
0.0
Vel. Vto.
Dir Vto.
50.0
En
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
2.0
1.8
1.6
1.3
1.2
1.5
1.5
1.4
1.5
1.8
1.8
1.9
0.0
Dir. del Viento (0º-360º)
Velocidad de Viento
(m/s)
San Jose de Ninhue
240.8 240.1 231.2 230.7 199.4 226.6 216.7 220.2 245.0 246.0 247.0 247.9
Mes de Observación
5.0
250.0
4.0
200.0
3.0
150.0
2.0
100.0
1.0
50.0
0.0
Vel. Vto.
Dir Vto.
En
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago Sep
Oct
Nov
Dic
4.0
2.8
2.4
2.5
2.1
2.3
2.2
2.5
3.2
3.2
3.5
2.8
0.0
Dir. Viento (0º-360º)
Vel. de Viento (m/s)
PORTEZUELO
196.9 137.0 165.6 197.1 215.5 224.7 210.8 231.6 214.5 209.3 204.4 163.9
Mes de Observación
Figura 12.10. Fluctuación de la velocidad (m/s) y la dirección del viento (0-360º) en el sector San
José de Ninhue y Portezuelo.
12.5. ESTUDIO DE ADAPTACIÓN DE LOS CULTIVOS AL CLIMA DEL ÁREA
En esta zona en los años 1980 a 1985 INIA Quilamapu realizó un estudio respecto de la situación
productiva del área con la finalidad de mejorar la situación de los agricultores del secano. La
producción de esta área se caracterizaba en el caso de trigo con rendimientos promedios de 10 a
15 qq/ha, utilizando variedades locales como Milquinientos entre otras, cuya principal característica
era su hábito de crecimiento tardío que las exponía a fuertes períodos de estrés, dado que además
de ser una variedad de bajo potencial genético tenía importantes requerimientos de agua durante
12
los meses de Octubre y
Noviembre. Se agrava la situación de esta área dado que además
muestra una fuerte presencia de suelos graníticos con baja capacidad de retención de humedad
del suelo.
La solución fue introducir variedades precoces, que al momento de escasear el agua, estas ya
habían cubierto los períodos críticos. En la Figura 12-11 se representa como cambió los niveles
productivos al ajustar la variedad de trigo que mejor se adaptaba a las condiciones climáticas del
área (Maldonado et al 1982).
12.6. REQUERIMIENTOS TÉRMICOS
12.6.1. Horas Frío
Corresponde al número de horas acumuladas con temperaturas por debajo de 7ºC, desde el
primero de noviembre hasta finales de febrero.
Un número insuficiente de horas-frío puede provocar problemas en los frutales como: caída de
yemas, desfase en las brotaciones, aumento del añerismo en algunas especies y otros efectos
fisiológicos.
Tabla 12.2. Necesidades de frío invernal para las especies frutales más relevantes.
ESPECIE
HORAS BAJO 7 ºC
Almendro
200 a 550
Avellano
100 a 1600
Castaño
100 a 400
Cerezo
700 a 1300
Ciruelo europeo
600 a 900
Ciruelo japonés
600 a 900
Damasco
600 a 900
Duraznero
500 a 1.000
Kiwi
250 a 600
Manzano
800 a 1500
Membrillo
400 a 900
Nectarino
500 a 1.000
Nogal
700 a 1000
Peral
700 a 1500
Vid
500 a 750
13
14
VARIEDAD PRECOZ
Agua
Disponible
BALANCE HIDRICO
Agua
Faltante
VARIEDAD TARDIA
Al observar la Tabla 12.2. puede apreciar que los rangos para las diferentes especies difieren
bastante; además el rango de variación para cada especie también es alto dependiendo de la
variedad que se desee introducir.
12.6.2. Grados Días o Sumas Térmicas
Corresponde a la estimación de la energía que una planta tiene a su disposición cada día, la
cual le permite su crecimiento y desarrollo, y se calcula en base a la diferencia entre la
temperatura promedio diaria
y el valor de la temperatura base (10ºC o 5ºC). Este factor
dependerá de la especie con que se trabaje.
En la Tabla 12.3. se presenta los requerimientos térmicos y el largo del período de crecimiento
vegetativo de algunas de las especies frutales más comunes (CIREN-CORFO, 1989).
12.7. BIBLIOGRAFÍA
Bowen, C.R., and S.E. Hollinger 2002: Alternative Crops Web Site, 2 July 2002, Illinois
State
Water
Survey,
Champaign
Illinois,
http://www.sws.uiuc.edu/data/altcrops/
(07/11/2004).
CIREN-CORFO 1989: Requerimientos de Clima y Suelo Frutales de Hoja Caduca. Centro
de Información de Recursos Naturales. Santiago, Chile. 79pp.
Del Pozo L., Alejandro y Del Canto S., Pedro 1999: Áreas Agroclimáticas y Sistemas
Productivos en la VII y la VIII Región.
Maldonado I., Isaac, et al 1983 Producción de Trigo en el Secano Interior. I. Limitantes y
Expectativas de producción del Área.
15
ESPECIE
Suma Térmica (>10ºC)
(de yema hinchada a cosecha)
Temperaturas (ºC)
Máxima Mínima
Optima
Optima
25
20
25
15
1000 a 1200
800 a 1500
Máxima
Absoluta
40
38
Cerezo
300 a 700
36
24
Ciruelo europeo
450 a 1100
37
Ciruelo japonés
450 a 1100
Damasco
Duraznero
Almendro
Castaño
Crítica de
heladas
-1
Periodo de
crecimiento (Días)
-2
220 a 240
220 a 250
18
-1.5
180 - 210
27
18
-1
220 a 250
37
27
18
-1
220 a 250
550 a 950
40
24
18
-2
190 a 220
450 a 800
40
27
21
-1
190 a 220
Kiwi
1200 a 1500
40
28
21
0
210 a 240
Manzano
900 a 1200
35
24
18
-2
230 a 250
Membrillo
1000 a 1400
37
25
20
-2
230 a 260
Nectarino
400 a 800
40
27
21
-1
180 a 210
1300 a 1700
38
28
21
-2
230 a 250
----
35
28
22
-2
120 - 270
Peral
690 a 1500
38
26
20
-1,5
210 a 240
Vid
900 a 1500
44
26
20
0
230 a 260
Nogal
Olivo (*)
Tabla 12.3. Requerimientos térmicos y largo del período vegetativo correspondientes a las especies frutales más comunes.
16