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Escuela de Ingeniera Sanitaria y Ambiental.
TEXTO GUIA
Parte II
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AlejoRoberto Alfaro AlejoRoberto Alfaro Alejo
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CONTENIDO DEL CURSO
1. INTRODUCCION Ciclo Hidrolgico Presupesto de Agua Origen del
Agua Subterranea Distribucion Vertical de Aguas SUbterraneas
Manifestacion del agua Subterranea
2. FLUJO EN AGUAS SUBTERRANEAS
Ley de Darcy y Potencial Hidraulico Ecuacion de Flujo de Aguas
Subterraneas Permanente Lineas de Corriente y Red de Flujo Flujo
Regional y Control Geologico en Flujo Flujo Transiente,
Almacenamiento y Compresibilidad Flujo No Confinado Interaccion de
Aguas Subterraneas con Corrientes y
Lagos Metodos Numericos Flujo en Roca Fracturada
3. HIDRAULICA DE POZOS Y CAPTACIONES Ecuaciones de Thiem y Theis
Pruebas de Bombeo y Slug Tests Captaciones de Aguas
Subterraneas
4. CALIDAD DEL AGUA SUBTERRNEA 5. EXPLORACIN DE RECURSOS HDRICOS
SUBTERRNEOS 6. EXPLOTACIN DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS 7.
PROBLEMTICA AMBIENTAL DE LOS RECURSOS HDRICOS
SUBTERRNEOS Transporte de Contaminantes Adveccion y Dispersion
Absorpcion y Transporte de Masa Difusivo Remediacion de
Acuiferos
8. DESARROLLO SOSTENIBLE DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS
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5. CALIDAD DEL AGUA SUBTERRNEA Debido a que el agua subterrnea
se mueve a travs de los poros en un medio cuyas partculas de una u
otra forma son solubles en diferente grado, el agua al cabo de
cierto tiempo contendr cierta cantidad de materia en solucin. El
agua subterrnea, en trminos generales, a comparacin del agua
superficial es de mejor calidad bacteriolgica pero de peor calidad
qumica. Es ms clara, incolora y se presenta a temperaturas ms
constantes. Por su calidad y claridad se prefieren para uso
domstico y consumo humano. Si bien el agua subterrnea se filtra de
forma natural, puede contener bacterias, que la hagan no apta para
consumo humano e incluso peligrosa, o exceso de sales disueltas,
que le dan sabor desagradable. En funcin a las caractersticas
fsicas, qumicas y biolgicas y las normas aceptadas por la OMS,
UNESCO, EPA y otras el agua se clasifica para ciertos usos. 5.1
Propiedades fsicas, qumicas y biolgicas del agua subterrnea El agua
subterrnea en condiciones naturales tiene caractersticas propias
segn el lugar donde se encuentre. La legislacin peruana en cuanto a
calidad y uso del agua se refiere, no diferencia entre agua
superficial y subterrnea. Los valores admisibles para el agua en
Peru se encuentran el la Reglamentacin a los ECAs y LMP para aguas
segn los usos. Las caractersticas se pueden determinar en el campo
y/o en el laboratorio mediante pruebas bien establecidas. 5.1.1.
Temperatura Es una de las propiedades ms constantes del agua
subterrnea. Por lo general vara entre los 10 y 20 Centgrados. La
temperatura variar segn la zona donde se ubique (volcnica o
glacial) o segn la profundidad a la que se encuentre (aumenta 1 C
con cada 30m de profundidad). 5.1.2. Slidos totales disueltos TDS
Toda el agua subterrnea tiene cierta cantidad de sales disueltas.
Esta cantidad variar segn la zona donde se encuentre. La mayor
parte de las sales disueltas provienen del medio, es decir del
material del acufero por el cual el agua circula. Las aguas fsiles
son las que mayores sales disueltas presentan. Pueden estar en
solucin adems de sales, otros elementos solubles provenientes de
suelos, fertilizantes y abonos naturales entre otros. Aunque el
agua tenga niveles aceptables de sales disueltas, puede no ser apta
para consumo humano debido a su color y contenido de materia
orgnica. El agua subterrnea que se encuentra en rocas gneas tendr
menos sales disueltas que aquella que se encuentre en rocas
sedimentarias. Los slidos disueltos se miden en mg/litro o su
equivalente ppm (referente a unidades de peso). El valor aproximado
de Slidos Disueltos Totales, TDS, se obtiene multiplicando la
conductividad elctrica por 0.6 (0.55 si el agua es cida y 0.75 si
es salina). El valor de TSD es un ndice de adaptabilidad y uso del
agua. Si contiene menos de 500 ppm de slidos disueltos, es adecuada
para uso domstico e industriales. Aquella agua con ms de 1000 ppm
presenta un sabor desagradable.
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Tipo de Agua TDS
Fresca 0 1000 mg/l
Salobre 1000 10000 mg/l
Salina 10000 100000 mg/l
Salmuera > 100000 mg/l
5.1.3. pH Es la concentracin del ion hidrgeno en el agua que
indica si la solucin es cida o alcalina. A mayor concentracin de
hidrgeno, ms cida la solucin. El pH vara en el agua subterrnea
entre 5.5 y 8. Una variacin fuera de estos rangos es indicadora de
contaminacin. La escala reflejada por el pH es en funcin a 10 veces
ms/menos que el anterior/siguiente. El pH bajo es muy comn en el
agua cida (copajira). El agua que est en contacto con la naturaleza
(agua de quebradas y/o bofedales) puede tener un pH hasta 5.5 que
es considerado como normal ya que es natural por estar en contacto
con materia orgnica. Este es un parmetro in situ indicador de la
presencia o no de contaminacin. Se prefieren los datos de campo a
los de laboratorio por las reacciones en el envase y transporte,
etc.
Figura 5.1. Papel pH. 5.1.4. Dureza Depende del contenido de
Calcio y Magnesio. La dureza elevada del agua se nota al no
disolverse el jabn rpidamente. (Tarija). < a 50 ppm es suave, de
50 a 150 es normal y > a 150 ppm es dura. Estas sales disueltas
son las que forman costras o capas blancas al evaporarse el agua
dentro de calderas, vasos y en bocas de grifos. La dureza total se
divide en dos tipos, la dureza de carbonatos (Ca y Mg) y la dureza
de no carbonatos (Ca y Mg combinado con sulfatos, cloruros y
nitratos). La dureza variar segn la zona y la gente se acostumbra a
dichas variaciones. El agua puede ser ms o menos dura pero igual
ser potable. El sabor vara. 5.1.5. Conductividad elctrica Es la
habilidad de un fluido para conducir corriente elctrica. La
conductividad elctrica especfica es el patrn que consta en el flujo
de corriente por un centmetro cbico de agua.
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El agua pura (destilada) es poco conductiva, pero conforme se le
aade minerales en solucin, aumentar su conductividad. A mayor
cantidad de iones, mayor conductividad. La conductividad elctrica
se mide en uS/cm. Por lo general el agua subterrnea pura tiene
valores por debajo de 100 uS/cm. Diferentes tipos de iones darn
diferentes conductividades para una misma concentracin. Por ejemplo
cierta concentracin de cloruro sodio dar 25 % ms conductividad que
la misma concentracin de bicarbonato de calcio. La conductividad
aumentar proporcionalmente a la temperatura del agua. El agua con
una CE alta es corrosiva. En campo siempre que se mida la CE se
mide la T. Los sensores modernos de CE transforman la CE para una T
fija (25 C) para tener valores consistentes tomados durante todo un
da a diferentes temperaturas. Este es un parmetro in situ indicador
de la presencia o no de contaminacin.
Figura 5.2. pHimetro, Coductivmetro y Termmetro digital. 5.1.6.
Contenido mineralgico Debido a que el agua subterrnea est en
contacto prolongado con el medio a travs del cual fluye (sedimento
o roca) y debido a que este medio es en cierto grado soluble, el
agua inevitablemente termina conteniendo ciertos minerales en
solucin. De igual manera debido al origen por infiltracin del agua
subterrnea, esta tiene minerales disueltos ya desde el momento de
su infiltracin. El contenido mineralgico del agua ya sea en tipo de
elementos y/o la cantidad de los mismos, son determinantes a la
hora de determinar el uso potencial de dicha agua. As mismo
determinan el tipo de tratamiento que se le debe dar para poder
volverla apta para cierto uso especfico. El contenido mineralgico
de cierta agua se determina a travs del anlisis en laboratorio de
una muestra representativa. El contenido mineralgico puede ser de 3
tipos segn su abundancia:
a) Elementos mayoritarios: Cationes: Ca, Mg, Na, K, Cl Aniones:
Cloruro, Sulfato, Carbonato, bicarbonato, Si b) Elementos
minoritarios: Fe, Mn, Fl, Nitrato, Bo c) Elementos traza: As, Pb,
Cd, Cr.
Los elementos en solucin no siempre se hallan libres, sino a
veces como compuestos. El contenido mineralgico cuantitativo se
determina a travs de la medicin del total de slidos disueltos. El
contenido descriptivo solo se logra a travs de un anlisis de
laboratorios.
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5.1.7. Contenido biolgico El agua puede contener diferentes
bacterias a pesar de ser incolora, insabora y estar fresca. La nica
forma de conocer el contenido cualitativo y cuantitativo de
bacterias en el agua, es a travs del anlisis bacteriolgico del agua
en laboratorios especializados. En el caso de la contaminacin
bacteriolgica se ha probado cientficamente que el medio, muchas
veces, sirve de filtro purificador y a cierta profundidad y/o
distancia de la fuente de contaminacin bacteriolgica, el agua
resulta ser pura y sin rastro de bacterias. El contenido de oxgeno
disuelto en el agua es inversamente proporcional al contenido de
desechos humanos y animales. Es adems importante en la parte
ambiental. Cuando los nutrientes del agua en lagos disminuyen a
niveles donde la vida acutica (flora y fauna) ya no puede existir,
se denomina eutrofizacin. La cantidad de contenido orgnico en el
agua se refleja en el contenido de oxigeno disuelto de la
misma.
Figura 5.3. Laboratorio porttil de anlisis de agua. 5.2
Clasificacin y uso del agua subterrnea El agua se clasifica en
rangos de calidad y uso segn el contenido de elementos qumicos
(slidos, lquidos o gaseosos) y la concentracin de los mismos que
tenga. La calidad del agua que ingiere el ser humano, sea esta
superficial o subterrnea, determina la calidad de su vida. 5.2.1.
Parmetros determinantes de la calidad del agua Los nitratos y
cloruros provienen generalmente de zonas de aguas residuales
(nitratos), agrcolas (cloruros) y de granjas (cloruros). 5.2.1.1.
Cationes Sodio.- Es un metal alcalino. Es el nico elemento que se
encuentra en cantidades significativas en el agua natural. Por ej.
El agua de mar (10000 ppm). Si bien el sodio es el catin ms
abundante en el agua de mar, el agua subterrnea no puede contener
ms de unas pocas ppm con relacin a los cientos de ppm de slidos
disueltos. El sodio cuando est como elemento libre es muy soluble
de modo que es desprendido fcilmente de suelos y rocas. Cuando est
como compuesto qumico en solucin tiene un comportamiento muy
diferente. Calcio.- Magnesio.- Potasio.-
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5.2.1.2. Aniones Cloruro.- Es muy abundante en la naturaleza, en
especial el agua de mar alcanzando 19000 ppm. Por lo general en el
agua subterrnea no excede los 5 ppm. El cloruro proviene de muchas
fuentes desde volcanes hasta de fertilizantes, suelos y rocas. Su
concentracin vara segn la ubicacin geogrfica (en agua de lluvia USA
1ppm, Inglaterra 6ppm). Para la mayora de los propsitos menos de
150 ppm es ideal; ms de 250 ppm ya no es adecuado para usos
municipales; ms de 350 ya no es conveniente para uso industrial y
ms de 500 ppm ya tiene un sabor desagradable y no es utilizable. El
ganado puede consumir agua hasta con 4000 ppm de cloruro. El
contenido de cloruro elevado en el agua subterrnea es seal de
contaminacin. Sulfato.- El sulfato que se encuentra en el agua
subterrnea proviene principalmente del yeso (sulfato de calcio
dihidratado) que se encuentra en el medio (litologa del acufero).
Puede tambin derivarse de la descomposicin de la pirita (FeS).
Cuando existe sulfato de magnesio y sodio le dan un sabor amargo al
agua y pueden tener un efecto laxante en las personas. Carbonato.-
Bicarbonato.- Slice.- El agua subterrnea puede contener hasta 100
ppm de SiO2. El slice constituye una parte importante de las
incrustaciones o costras formadas por algunas aguas. Las costras de
slice no pueden ser disueltas por cidos ni otros reactivos qumicos.
5.2.1.3. Elementos minoritarios Los elementos o constituyentes
menores son aquellos que estn presentes en el agua, pero en
concentraciones reducidas. Hierro.- Es muy abundante en el agua
subterrnea. El agua potable no debe tener mas de 0.3 ppm. El
contenido de hierro es determinante para el potencial uso del agua.
El agua estancada tiene mayor contenido de hierro, que al entrar en
contacto con aire precipita. El principal efecto del hierro en el
agua es que genera bacterias oxidantes que destruyen la tubera de
los pozos. Manganeso.- Se presenta en menor concentracin que el
hierro aunque su comportamiento qumico sea similar. Sus
precipitaciones son perjudiciales para la tubera de los pozos.
Fluoruro.- Se presenta solo en pequeas concentraciones disueltas de
la litologa del medio del acufero. Su concentracin en agua que
beben los nios es muy importante ya que su exceso o dficit puede
producir defectos dentales. Su concentracin ptima es de 1 ppm.
Nitrato.- La concentracin del nitrato vara mucho en el agua
subterrnea. Proviene generalmente de desechos vegetales,
fertilizantes, desperdicios animales, letrinas, pozos ciegos y
granjas. Por su origen es un indicador de contaminacin.
Concentraciones mayores a 45 ppm son indeseables para fines
domsticos. Boro.- Elemento tpicamente encontrado en zonas ridas y
semi-ridas. En concentraciones reducidas es favorable para la
agricultura, pero a mayor concentracin de 1 ppm se torna
perjudicial. 5.2.1.4. Elementos traza Son elementos que se
presentan en cantidades muy reducidas. Aunque estas de igual forma
pueden ser dainas para el ser humano. Arsnico.- Plomo.- Cadmio.-
Cromo.- En el caso de los elementos traza, concentraciones del
orden del microgramo/litro ya se consideran anormales
(contaminacin). 5.2.1.5. Gases disueltos
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El contenido de gases disueltos en el agua es mnimo. Cuando
existe el caso en que su concentracin es considerable, pueden ser
determinantes en el uso y utilizacin del agua. Los elementos
gaseosos que se encuentran disueltos son el oxgeno, el sulfuro de
hidrgeno, el dixido de carbono, el nitrgeno, el dixido de azufre y
el amoniaco. El principal efecto del contenido de gases en el agua
es la corrosin sobre las tuberas de los pozos. 5.2.2. Estndares de
aceptacin de parmetros Debido a que el contenido mineralgico del
agua subterrnea puede variar ampliamente de un sector a otro y
debido a que el contenido de ciertos elementos es determinante para
el uso potencial del agua, como ser para consumo humano, riego,
industrial, etc. y para la salud humana. Se han establecido
parmetros de lmites mximos permisibles para el agua segn su
potencial uso. La Organizacin Mundial de la Salud OMS (WHO, por sus
siglas en ingls) ha publicado una tabla con los estndares y lmites
permisibles para cada elemento que puede estar en solucin en el
agua segn el uso que se tenga previsto. De igual manera las
agencias de proteccin ambiental de muchos otros pases. Peru tiene
su propia tabla de Estndares de Calidad Ambiental (ECA) y Lmites
Maximos Permisibles (LMP) . Estos Estandares se encuentran en el
D.S. N 002-2008/MINAM y los Lmites Maximos Permisibles es segn el
tipo de efluente, asi para plantas de tratamiento de aguas
residuales se encuentran en el D.S. 001-2010/MINAM. 5.2.2.1.
Cationes Prctica de comparacin de estndares de calidad ambiental y
lmites permisibles. 5.2.2.2. Aniones Prctica de comparacin de
estndares de calidad ambiental y lmites permisibles. 5.2.2.3.
Elementos minoritarios Prctica de comparacin de estndares de
calidad ambiental y lmites permisibles. 5.2.2.4. Elementos traza
Prctica de comparacin de estndares de calidad ambiental y lmites
permisibles. 5.2.3. Clasificacin qumica del agua y su representacin
grfica El agua se clasifica qumicamente en varias categoras segn su
contenido mineralgico, es decir segn los elementos que contenga y
segn la concentracin de estos. La clasificacin se hace en funcin a
los resultados obtenidos de anlisis de laboratorio. Existen varios
tipos de grficos que muestran la composicin qumica y clasificacin
qumica del agua. 5.2.3.1. Grficos de Stiff Son diagramas que en
funcin a la presencia de Ca, Mg, Na+K, F, CO3+CO3, SO4, Cl y NO3
(en Miliequivalentes por litro) clasifican al agua en ciertos
tipos, que a su vez tienen una figura (geometra del diagrama)
tpica. Los diagramas se elaboran ploteando (graficando) la
concentracin de los elementos en un formato establecido y luego
unindolos asta formar una figura geomtrica cerrada. NOTA: Existen
varios programas de computacin en el mercado que verifican
automticamente los resultados de laboratorio a travs de un balance
inico, e identifican el tipo de agua segn el Diagrama de Stiff.
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Figura 5.4. Grfico de Stiff Figura 5.5 Grfico de Stiff. 5.2.3.2.
Grficos de Piper Es un diagrama tri-lineal que en funcin a la
presencia de Ca, Mg, Na+K, HCO3+CO3, SO4, y Cl (en % de
Miliequivalentes por litro) clasifican al agua en ciertos tipos.
Los tipos de agua subterrnea son: a) Ca-SO4.- tpicas de ambientes
de yeso y drenaje de minas. b) Ca-HCO3.- Tpicas de acuferos someros
y de agua fresca. c) Na-Cl.- Tpicas de ambientes marinos y aguas
connotas. d) Na-HCO3.- Tpicas de acuferos profundos de agua fresca
influenciadas por intercambio inico. El diagrama consiste en tres
figuras geomtricas donde los vrtices representan el 100% en
concentracin de cada uno de los tres grupos de cationes y aniones.
La clasificacin se elabora convirtiendo los valores de cada uno de
los grupos de elementos a porcentaje del total de concentracin de
cationes y aniones respectivamente. Luego plotendolos en los
tringulos de cationes y aniones y en el rombo de iones
respectivamente, por ultimo se identifica a que categora
corresponde la muestra de agua segn el sector de las figuras
geomtricas donde se ploteo los puntos.
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Figura 5.6. Grfico de Piper. NOTA: Existen varios programas de
computacin en el mercado que verifican automticamente los
resultados de laboratorio a travs de un balance inico e identifican
el tipo de agua segn el Diagrama de Piper. Existen otras
clasificaciones qumicas difundidas que son las de Stuyfzand y
Wilcox. Para convertir datos en mg/l a meq/l se debe utilizar la
siguiente frmula: mg/l * (1 / peso miliequivalente) PRACTICA:
Manejo de software de grafica de calidad de agua subterrnea
(Aquachem, Excel, etc.) 5.2.4. Usos del agua El agua es apta para
diversos usos y no apta para otros usos, segn su contenido
mineralgico y bacteriolgico. Es decir segn los elementos que
contenga y sus respectivas concentraciones y segn el tipo de
bacterias que contenga. El agua de la categora de mayor exigencia,
puede ser utilizada para los fines restantes, pero no as viceversa.
Estandares de Calidad Ambiental (ECA) En Peru los estandares, que
sirven para categorizar el agua y asignarle su posible uso se
presentan en el D.S. N 002-2008/MINAM. 5.2.4.1. Agua para Uso
Poblacional y Recreacional El agua de categoria 1 segn el ECA es
apta para uso Poblacional y Recreacional, segn el tipo de
tratamiento que se aplique, especificado en dicho Reglamento.
5.2.4.2. Agua para Actividades Marino Costeras El agua de categora
2 es para las actividades Marino Costeras 5.2.4.3. Agua para Riego
de Vegetales y Bebida de Animales El agua de categoria, 3 segn los
ECA del MINAM, tiene ciertas caractersticas que la hacen apta para
riego de cultivos. Adicionalmente existen otros parmetros para
determinar la calidad y aptitud
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del agua para fines de riego. Para saber si cierta agua es apta
para riego se utiliza el ndice RAS (SAR en ingles), es decir el
ndice de Relacin de Adsorcin de Sodio, que matemticamente es la
razn de concentracin de sodio sobre la raz cuadrada de la sumatoria
de las concentraciones de calcio y magnesio. Cuando el ndice SAR es
menor a 1 el agua es de buena calidad y apta para riego. La relacin
de Na, Ca y Mg es importante debido a que el sodio disuelto en el
agua se intercambia con el calcio y el magnesio del suelo y
precipita generando salinizacin del suelo. LIMITES MAXIMOS
PERMISIBLES (LMP) Los Limites Maximos Permisibles estan dados segun
el MINAM, para los diferentes usos en toda actividad industrial,
desde fbricas, hasta minera. El uso que se le da al agua en cada
proceso especfico industrial impone sus propios lmites de maximos
permisibles en los efluentes. NOTA: La aptitud y potencial uso del
agua se hace en funcin al contenido mineralgico de dicha agua
obtenido de los resultados del anlisis de laboratorio. Existen
varios programas de computacin en el mercado que verifican
automticamente los resultados de laboratorio a travs de un balance
inico, determinan el ndice SAR e identifican el potencial uso de
agua. Estos programas se pueden realizar en Excel y/o Access
tambin, o tener su ambiente propio. 5.3 Muestreo de agua subterrnea
El muestreo de agua subterrnea sigue bsicamente las mismas lneas,
cuidados y protocolos que existen para el agua superficial. Las
muestras de agua subterrnea solo se pueden tomar de pozos o
manantiales. 5.3.1. Diseo de campaa de muestreo El diseo de la red
de muestreo est limitado por la presencia de pozos y/o manantiales.
En caso de existir un campo de pozos (cierta rea con alta densidad
de pozos), se eligen los pozos en funcin al objetivo del muestreo y
al presupuesto. - Si se desea establecer una lnea base, se elegirn
los pozos de tal manera que cubran la mayor rea posible. El nmero
variar segn el presupuesto disponible. - Si se desea estudiar la
dispersin de cierto contaminante, se elegirn pozos ubicados segn la
direccin del flujo del agua (segn el mapa piezomtrico y las lneas
de flujo del agua subterrnea) intentando rodear la pluma de
contaminacin y tomar muestras a lo largo del centro de su eje. El
muestreo ser ms denso. Una vez ms la cantidad de muestras depender
del presupuesto disponible. 5.3.2. Tcnicas para el muestreo de agua
subterrnea Existen dos tipos de ocurrencia (manifestacin) de agua
subterrnea en la superficie. La primera es a travs de manantiales
donde el agua subterrnea surge a la superficie o de pozos de
dimetro ancho, as como norias, pozas, etc. La segunda es a travs de
pozos perforados de dimetro variable (desde 2) que comunican con
niveles piezomtricos profundos. El anlisis fsico, qumico y biolgico
de las muestras de agua subterrnea puede hacerse de forma
cualitativa y semi-cuantitativa en el campo por medio de
titulaciones colorimtricas. 5.3.2.1. Manantiales El agua que emana
de manantiales o se encuentra pozos de dimetro grande, norias,
pozas, etc. es muestreada con los protocolos y cuidados de
cualquier toma de muestras de agua superficial. 5.3.2.2. Pozos
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Para obtener muestras de agua de pozos existe un equipo especial
llamado muestreador de aguas subterrneas (bailer en ingls). Para
que la muestra sea representativa del agua del acufero de inters,
se debe purgar o lavar el pozo extrayendo de 1 a 5 veces el volumen
del pozo, tal que el agua estancada sea sacada y el pozo se llene
con agua fresca del acufero. Solo entonces la muestra de agua podr
ser considerada como proveniente del acufero y por tanto
representativa.
Figura 5.7. Kit de muestreo de agua subterrnea 5.4 Calidad del
agua Cuando el agua es afectada por fenmenos naturales o por la
actividad humana y su calidad deja de ser aquella previa a la
afeccin se dice que esta contaminada. Cuando el agua tiene
elementos en concentraciones mayores a las establecidas por leyes y
normas se dice que est contaminada. En el primer caso se denomina
contaminacin natural. Segn la calidad natural del agua subterrnea
existen tres tipos de agua: a) Actuales y potenciales fuentes de
agua para consumo humano. b) Agua no potencial para consumo humano.
c) Aquellas altamente vulnerables a la contaminacin debido a la
hidrogeologa donde se encuentra. Las leyes por lo general protegen
ms a aquella de la categora C. PRACTICA: Averiguar los estandares
de calidad ambiental y limites mximos permisibles del MINAM PERU,
de la OMS, UE y EPA y compararlos. Resaltar las diferencias, en
elementos y limites, y explicar el porque de estas). Cmo se
relacionan los conceptos de: caractersticas
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6. EXPLORACIN DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS La bsqueda de
recursos hidrogeolgicos puede ser enfocada desde dos puntos de
vista: a) Emprico.- Se basa en la experiencia y el conocimiento
adquirido a travs de tiempo. En base a
similitud de caractersticas geogrficas, geolgicas e
hidrogeolgicas se determinan puntos con ocurrencia potencial de
agua subterrnea. Generalmente cuando se aplica este enfoque, el
objetivo es determinar un sitio para perforar un pozo. La
profundidad a la cual se podra encontrar agua es estimativa y solo
en base a pozos de la zona.
b) Cientfico.- Se basa en un estudio hidrogeolgico integral que
es la conjuncin de varios estudios de temas relacionados a la
hidrogeologa y su interpretacin integral.
6.1. Estudios hidrogeolgicos Los estudios hidrogeolgicos
integrales son la combinacin de varios estudios especficos,
relacionados a la ocurrencia de agua subterrnea, que proporcionan
informacin tcnica que al ser interpretados de manera conjunta,
permiten entender a detalle las caractersticas hidrogeolgicas de
cierta zona. Este tipo de estudio integral permite identificar
zonas con potencial para la ocurrencia de agua subterrnea, las
caractersticas hidroqumicas del agua, la delimitacin 3D del
acufero, la identificacin de zonas de recarga y descarga, la
elaboracin del mapa hidrogeolgico, estudios geofsicos, la
perforacin de pozos exploratorios, de produccin y de monitoreo,
estudios de vulnerabilidad. Adicionalmente permite elaborar un
modelo matemtico del acufero y un plan de manejo del mismo. 6.1.1.
Procedimiento de un estudio hidrogeolgico Los pasos que se siguen
para la bsqueda de recursos hdricos subterrneos por medio de
estudios hidrogeolgicos parciales o preliminares y para la
caracterizacin hidroqumica del agua de la zona son: Recopilar o
elaborar, si fuese necesario, los siguientes mapas y realizar las
siguientes tareas: 1. Mapa topogrfico.- Se identifican y marcan
todos los cuerpos de agua (ros, lagos, represas, riachuelos, etc),
tal que se genere un mapa hidrogrfico. Se delimitan las cuencas y
subcuencas hidrogrficas. Se delimitan zonas pobladas y otras de
inters 2. Mapa geolgico.- Se identifican unidades de diferentes
litologas. NOTA: Los lugares y litologas con mayor potencial de
contener agua subterrnea en acuferos libres y /o confinados
respectivamente son: Litologas no consolidadas y porosas: Abanicos
aluviales, Calizas, Orillas de ros, Desembocaduras de cuencas
hidrogrficas, etc. Litologas fracturadas: Areniscas, Rocas
volcnicas, Rocas intrusivas, etc. 3. Mapa de uso de tierra y
cobertura vegetal.- Se identifican y delimitan areas con diferente
uso de tierra y cobertura vegetal. Esto se hace utilizando
fotografas areas o imgenes satelitales. Las diferentes reas se
verifican en el campo. 4. Mapa de suelos.- Se delimitan unidades
edafolgicas (tipos de suelos) diferentes. En el campo se realizan
pruebas de infiltracin en cada tipo de suelo.
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Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Ing.
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Si es que se puede y el presupuesto lo permite, se toman
muestras de suelo para hacerles pruebas de porosidad, permeabilidad
y conductividad hidrulica en laboratorio.
Figura 6.1. Juego de perforacin tipo auger.
Figura 6.2. Muestreador digital de humedad del suelo. 5. Mapa
hidrogeolgico.- Este mapa servir de mapa base para la ubicacin de
zonas potenciales para: La ocurrencia de agua subterrnea de
acuferos libres, definir los lugares para hacer exploracin geofsica
(ver mtodos de exploracin) y definir los lugares ptimos para la
perforacin de pozos (ver Capitulo 7). El mapa hidrogeolgico se hace
principalmente sobre la base del mapa geolgico, donde cada tipo de
litologa corresponde a una clase de litologa ms o menos favorable
para la ocurrencia de acuferos, segn la leyenda establecida por la
UNESCO. NOTA: El mapa hidrogeolgico muestra zonas con diferente
potencial hidrogeolgico, ya sea desde el punto de vista de la
ocurrencia de acuferos libres o de la recarga de acuferos. Este
mapa no indica donde hay presencia de agua, sino donde posiblemente
esta ocurra. 6. Mapa de isoyetas.-
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Este mapa muestra la distribucin espacial de la precipitacin.
Existen varios mtodos, como el de Interpolacin con polgonos de
Thiessen, Interpolacin de valores con isolneas y finalmente el de
Correlacin por altura. 7. Inventario de cuerpos y fuentes de agua.-
Se realiza un inventario de cuerpos y fuentes de agua en el campo,
es decir se georeferencian los cuerpos de agua y se toman muestras
de agua superficial y subterrnea para realizar sus respectivos
anlisis fsico, qumico y si fuese necesario bacteriolgico. 8. Mapa
Hidroqumico.- Muestra la ubicacin de los lugares donde se tomaron
muestras de agua con un cdigo que vincula a la tabla de resultados
qumicos de laboratorio o con un diagrama de Stiff en el lugar de la
toma de muestra. Presentacin Estudios hidrogeolgicos
integrales.
Figura 6.3. Imagen satelital para identificacin de zonas de
recarga y descarga, etc.
Figura 6.4. Anlisis de correlacin entre Precipitacin y Nivel
fretico. (Cortez, 2004).
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Figura 6.5. Anlisis entre Precipitacin y Evapotranspiracin
Potencial. (Cortez, 2004).
Figura 6.6. Anlisis del hidrograma para determinar el flujo base
caudal base. 6.2. Mtodos y tcnicas de exploracin de recursos
hdricos Existen varios mtodos y tcnicas que facilitan la exploracin
de recursos hdricos subterrneos. Estos mtodos pueden ser invasivos
o no invasivos. Los mtodos y tcnicas de exploracin tradicional no
invasiva y ejecutadas desde la superficie solo indican la ubicacin
de cierta litologa favorable para la ocurrencia de agua. No indican
la presencia real de agua ni su calidad. Algunos mtodos recientes
ya indican la cantidad de agua y la calidad de agua se limita a
clasificarla como agua dulce o salada. En cuencas semi-ridas y
ridas se debe considerar que las cuencas hidrogrficas pueden ser
diferentes de las cuencas hidrogeolgicas.
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6.2.1. Sobreposicin de mapas Es una tcnica que existe desde
principios del siglo XX. Se aplic fundamentalmente a la minera.
Recin a partir de 1980 que se la aplic a estudios de hidrogeologa y
en Peru recin a partir de 1995. La tcnica consiste en la
sobreposicin de mapas temticos digitales bajo un SIG. Esta
sobreposicin se puede hacer de forma visual matemtica. En el caso
visual solo se pueden observar momentneamente e inferir resultados.
En el caso de las operaciones matemticas se puede obtener un nuevo
mapa como resultado de dichas operaciones con los datos de uno o
varios mapas temticos a la vez. Hoy en da esta tcnica se practica
utilizando Sistemas de Informacin Geogrfica SIG como la herramienta
que permite utilizar varios mapas temticos de una misma zona y
sobreponerlos segn sea requerido. La tcnica es aplicable con mayor
versatilidad cuando se trabaja en formato raster y no
vectorial.
La tcnica en ingls es conocida como GIS map overlay.
Figura 6.7. Esquema del principio de la tcnica de Sobreposicin
de mapas en SIG.
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6.2.2. Geofsica La geofsica es una ciencia que estudia las
propiedades fsicas de los sedimentos y las rocas y aprovecha dichas
propiedades para identificar litologas favorables para la
ocurrencia de acuferos libres y confinados. Existen varios mtodos
de estudio geofsico, entre los ms utilizados para la exploracin de
agua subterrnea estn el mtodo geoelctrico (Sondeo elctrico
vertical, SEV) y el mtodo magntico (Resonancia Magntica, SRM).
Sondeo elctrico vertical, SEV El mtodo consiste en introducir
corriente elctrica al subsuelo hasta la profundidad deseada y medir
la resistividad de las diferentes capas dentro de el. En base a
estas resistividades se determina a que profundidad existen
formaciones geolgicas con las condiciones necesarias para poder
contener agua dulce. La resistividad de los materiales naturales
vara ampliamente. En tanto que en el granito compacto puede
alcanzar valores del orden de 106 ohm-m, en las arcillas saturadas
de agua salada puede llegar a slo 1,0 ohm-m.
MATERIALES RESISTIVIDAD (ohm-m) o ( -m) Margas Calizas Pizarras
Granito Arcillas Arenas Conglomerados Areniscas Aluviones
50 - 5 000 300 - 10 000 100 - 1 000
300 - 10 000 1 - 20
50 - 500 1 000 - 10 000
50 - 5 000 50 - 800
En general, los minerales slidos, tales como el cuarzo y el
feldespato, son altamente resistivos, mientras que las salmueras
tienen las ms bajas resistividades. El mtodo SEV solo indica la
profundidad a la cual ocurre una litologa favorable para la
presencia de agua subterrnea. No indica su presencia, generalmente
calidad ni cantidad aprovechable. Cuando se conoce de la existencia
de agua en alguna formacin, el SEV puede indicar si esta es fresca
o salina. Se utilizan distintas configuraciones electrdicas, entre
las cuales las de Wenner y de Schlumberger son las ms comunes (fig.
6.8). El dispositivo Wenner tiene la ventaja de ofrecer una relacin
ms directa entre la separacin de los electrodos y la profundidad de
penetracin de la corriente. Por su parte, la configuracin
Schlumberger, para una separacin dada de los electrodos exteriores,
permite una definicin ms clara de las condiciones del subsuelo,
necesitndose menos peones debido a que los electrodos centrales no
se desplazan en cada medida.
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Fig. 6.8 (a). Dispositivos electrdicos Schlumberger y Wenner. La
peculiaridad de estos mtodos es la relacin matemtica existentes en
el espaciamiento de los dos tipos de electrodos que es la
siguiente:
a = V/ a= Resistividad aparente en Ohm-m (m). = Constante
geomtrica que depende de la separacin de los electrodos. = Es la
intensidad de corriente circulante en el terreno en miliAmperios
(mA) V= Diferencia de potencial en los electrodos MN, en
milivoltios (m.V.). = (AMxAN) pi / MN Durante las medidas se
movilizan solo los electrodos de corriente AB, hasta un mximo que
no
exceda la relacin matemtica: AB/3 MN Una vez que se llega a
estos lmites, se realiza doble lectura para la misma posicin de los
electrodos AB, e incrementando el espaciamiento de los dos tipos de
electrodos MN como muestran las hojas de campo de los SEV. Sondeo
de Resonancia Magntica, MRS Este mtodo se dio a conocer en 1995 y
aunque aun es experimental ya cuenta con varios casos reales de
xito. Consiste en enviar ondas magnticas desde la superficie hacia
el subsuelo, a diferentes profundidades, que excitan las molculas
de Hidrgeno del agua. Al detenerse la excitacin externa las
molculas de hidrgeno del agua desprenden un campo magntico hasta
retornar a su estado natural. El campo magntico generado es
directamente proporcional a la cantidad de agua y la porosidad
efectiva presente a la profundidad estudiada. (Durn J.J., 2007;
Boletn Geolgico y Minero, Volumen 118). El mtodo es sugerido ms que
para exploracin regional, para estudios en acuferos especficos.
Este mtodo es aun muy caro y requiere de calibracin para diferentes
regiones del mundo, por lo que aun no se utiliza en Peru. Debido a
su potencial para reemplazar las pruebas de bombeo
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(implicando perforacin de pozos), tomar un rol importante en el
futuro de la hidrogeologa. El mtodo identifica la presencia y
cantidad de agua, no de su calidad. 6.2.3. Perforacin de pozos Es
la tcnica que por muchos aos ha sido, y en gran parte del mundo aun
es la nica que permite conocer con certeza si hay presencia de agua
subterrnea o no es la perforacin de pozos. El punto donde se
recomienda perforar un pozo exploratorio se hace en base a los
resultados de la geofsica que indican la profundidad hasta la cual
se debe perforar para interceptar alguna litologa que
potencialmente pueda contener agua subterrnea.
Figura 6.9. Equipo de perforacin. Figura 6.10. Equipo de
perforacin
Figura 6.11. Equipo de perforacin. Ejercicio de SEV y Logeo de
datos de perforacion
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7. EXPLOTACIN DE RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS Una vez que se
conoce en que lugar geogrfico puede existir agua subterrnea, la
tarea a continuacin es acceder a ella y extraerla para su uso.
Existen varias formas y mtodos de captar el agua subterrnea. Estas
varan de acuerdo a la ubicacin geogrfica, profundidad a la que el
agua se encuentra, el propsito del agua y al tipo de litologa del
medio donde se encuentra el agua. 7.1. Mtodos de captacin Existen
diferentes mtodos de captacin de agua subterrnea que varan segn la
profundidad a la que sta se encuentra. a) Para agua cerca de la
superficie se pueden utilizar:
7.1.1. CAPTACIONES HORIZONTALES Son excavaciones casi
horizontales que se internan en las formaciones permeables hasta
llegar a la zona saturada, de donde captan el agua y la conducen o
bien a la superficie o a un pozo colector. Si bien su construccin
es relativamente complicada y/o costosa, la produccin de agua en
general es barata, puesto que la mayora lo obtiene por gravedad, o
sea sin consumo de energa. Cabe distinguir dos tipos de estas
estructuras: las zanjas de captacin y las galeras filtrantes.
Galera filtrante Son excavaciones (trincheras o canales)
subterrneas de forma simtrica, alargada y horizontal que se
construyen de forma perpendicular a la direccin del flujo del agua
subterrnea, de tal forma que el agua se infiltre hacia la galera y
pueda ser captada. En uno de los extremos de la galera se construye
una cmara de captacin que sirve para que el agua captada por
infiltracin se acumule por gravedad y se pueda extraer de forma
manual o mecnica. Generalmente se construyen por debajo del lecho
de un ro, es decir en el sedimento que es un medio poroso y
permeable; Tambin se pueden construir en ambientes que no sean
lechos de ro.
Figura 17. Esquema de una galera filtrante en terreno suelto
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Naturalmente la disposicin de las galeras filtrantes es tan
variable como pueden serlo los propios acuferos y las condiciones
topogrficas; algunos ejemplos se muestran en la Figura 18.
Figura 18. Esquema de Galerias Infiltracion. (a) paralelo a rios
y (b) en lecho de rio
Tubo de infiltracin o ranurado, rodeado de una capa de granzn o
piedra picada gradada, instalada en el acufero subsuperficial, o en
el caso de captacin indirecta de aguas superficiales, en el estrato
permeable que se comunica con dichas aguas. En los extremos aguas
arriba de la galera y a longitud aproximada de 50 m., normalmente
se coloca un pozo de visita. En el extremo aguas abajo se construye
una tanquilla o pozo recolector, de donde se conducen las aguas por
gravedad o por bombeo hacia el sistema de distribucin (ver Figura
7.1).
Figura 7.1: Tubo de infiltracin Las zanjas de captacin o drenes
son excavaciones, generalmente en materiales no consolidados,
realizadas desde la superficie hasta llegar a la zona saturada,
evacuando el agua captada por gravedad si la pendiente lo permiten,
o por bombeo en la propia zanja o en un pozo colector (ver Figura
19). Actualmente se pueden excavar fcilmente hasta algunos metros
de profundidad utilizando mquinas zanjadoras o retrocavadoras, Su
penetracin en el acufero suele ser limitada (por los problemas de
desagote) y en consecuencia los
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caudales se ven afectados por las fluctuaciones de la superficie
fretica, pudiendo llegar a cero en perodos de sequa
pronunciada.
Figura 19. Zanja de captacin con pozo colector El tubo de
recoleccin es normalmente de PVC, concreto o de asbesto cemento. Su
dimetro es funcin del gasto de captacin, siendo el mnimo
recomendable del orden de 8 a 10. La galera de infiltracin se
orienta de acuerdo con la direccin predominante del flujo
subterrneo. La longitud de la tubera de infiltracin se calcula en
funcin del caudal unitario, utilizando la siguiente frmula:
u
QL Q=
22ln( )
u
K aQa
r
pi =
Donde: L = Longitud de la tubera de infiltracin en m Q = Caudal
a captar en l/s Qu= Caudal por unidad de longitud en l/s-m k =
Coeficiente de permeabilidad en l/s-m2 a = Profundidad a la que se
encuentra el conducto respecto al nivel de agua en m. ver Fig 7.2 r
= Radio del conducto en m
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Figura 7.2: Detalles del tubo filtrante
El nmero de orificios se determina utilizando la siguiente
expresin:
An
a=
u
e c
QAV C
=
2
4d
api
=
Donde: n = Nmero de orificios por metro A = rea de flujo en m2 a
= rea de cada orificio en m2 Qu = Caudal unitario en m3/s-m ve =
Velocidad de entrada a los orificios en m/s ve = 0,05 a 0,10 m/s Cc
= Coeficiente de contraccin por orificio. Cc = 0,55 d = Dimetro del
orificio en m Noria (Tacapis o Ccochas) Es un orificio vertical
excavado manual o mecnicamente en la tierra cuyo fin es exponer la
napa fretica para el aprovechamiento del agua subterrnea del
acufero libre. Pueden tener varios metros de dimetro (>2m) y
profundidad (dependiendo del nivel fretico).
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Obras de mampostera La ms comn es el Dique, que generalmente son
muros de piedra y cemento o tipo gaviones (piedra acomodada dentro
de canastas de malla de alambre tejido). Se construyen cortando el
lecho de un ro, de forma perpendicular al flujo del agua, de tal
forma que se hace una represa superficial, en el caso que el muro
sea construido por encima del cauce del ro, subterrnea en el caso
que sea construido dentro del lecho del ro. La altura del dique
depende da la cantidad de agua que se desee retener, si es
superficial, del espesor del sedimento del lecho del ro. Aunque no
es muy comn, estos diques tambin se pueden hacer en ambientes que
no sean ros, creando reservorios de agua subterrnea. Excavacin y
perforacin de pozos someros Un pozo es un orificio cilndrico
vertical excavado manual o mecnicamente en la tierra desde su
superficie. Su dimetro vara segn sea perforado manual o
mecnicamente, desde unos cuantos centmetros hasta ms de un metro
(norias) y desde unos cuantos centmetros hasta unos 10cm
respectivamente. La profundidad a la que alcanzan depende segn se
intercepte el nivel fretico un acufero a mayor profundidad (desde
30m hasta unos 50m). Las paredes de los pozos someros (hasta 10 m)
pueden estar revestidas con piedras, anillos de cemento o goma a
fin de sostener las mismas y evitar su derrumbe; aquellas de pozos
un poco ms profundos (< 50m) se revisten con tubera plstica o
metlica. b) Para agua ubicada a profundidad:
7.1.2. POZOS RADIALES En algunos pases los pozos radiales o de
drenes horizontales tienen amplia difusin sobre todo cuando se
desea extender el radio efectivo para aumentar el caudal especfico
de la captacin. Son los denominados pozos Ranney, Fehlmann o
Preussag segn su mtodo constructivo para instalar los drenes. En el
sistema Ranney las perforaciones radiales se realizan con los
mismos tubos filtrantes definitivos, que as quedan ya directamente
instalados. Por tal razn, dichos tubos han de ser
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de acero, con paredes gruesas y las ranuras de forma alargada en
el sentido longitudinal de los mismos.
Figura 20. Pozo radial
7.1.3. POZOS VERTICALES Se denominan pozos verticales a todos
aquellos que se proyectan y construyen para obtener agua por
penetracin vertical de una capa acufera. Por su bajo costo y
facilidad constructiva, los pozos cavados manualmente o jageles,
son muy comunes en las reas rurales. El dimetro generalmente es
superior a un metro, y la profundidad vara segn la regin entre unos
pocos metros hasta varias decenas. Dentro de los considerados pozos
menores es comn construir mecnicamente pozos de dimetro reducido,
frecuentemente de poca profundidad y destinados a bombas manuales
y/o molinos.
El proyecto de un pozo vertical de alta capacidad requiere la
definicin de varios parmetros ligados entre s. Como cuestin previa
ha de plantearse el objetivo del pozo respecto al acufero a
explotar: si slo se desea extraer un determinado caudal o se quiere
alcanzar el mximo posible que permita el acufero. Un buen proyecto
ser aquel con el que se consiga un adecuado equilibrio entre
eficiencia, vida til y costos.
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Los parmetros a tener en cuenta son los siguientes: Profundidad.
Mtodo de perforacin. Entubado. Dimetro. Filtro y prefiltro de
grava. Desarrollo. Proteccin sanitaria.
Figura 21. Pozos perforados con diferentes entubados Para
propositos de diseo de pozos, los acuiferos pueden ser divididos en
tres principales clases: (a) acuiferos cristalinos; (b) acuiferos
consolidados; (c) acuiferos no consolidados.
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Figura 22. Diseo de pozo para acuiferos cristalinos. (a)
unweathered and (b) weathered
Figura 23. Diseo de pozo para acuferos consolidados. (a)
superficial y (b) profundo
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Figura 24. Un diseo para un sistema de acufero multiple
consolidado
Figura 25. Diseo pozo para acuiferos no consolidados. (a)
superficial, no confinado y (b) profundo, confinado
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7.1.3. Perforacin de pozos Es el proceso mediante el cual se
abre un orificio, de forma cilndrica, que atraviesa las formaciones
geolgicas verticalmente hasta interceptar el acufero de inters.
Tabla 7.1: Resumen general de Metodos de Construccion de Pozos
En general se pueden hacer de forma semi-mecanizada (manual con
herramientas especiales) o mecanizada (con maquinas perforadoras).
El proceso completo que se sigue a fin de tener acceso al agua
subterrnea una vez conocido el sitio donde se perforar y construir
el pozo de agua es el siguiente: 1. Movilizacin, instalacin y
preparacin de faenas.- Una vez seleccionado el punto donde el pozo
deber ser perforado se moviliza el equipo de perforacin que
consiste mnimo de un camin perforadora, un camin cisterna y un
vehculo liviano de apoyo y el personal que por lo general consta de
unas 5 personas. Una vez ubicada la maquina perforadora se cavan,
junto a ella, manualmente dos pozas de decantacin de lodo de 1m de
lado y 1.5m de profundidad, una zanja o canal que une el punto de
perforacin con las pozas y se instala un tanque porttil de agua. El
rea ocupada con la instalacin de todo el equipo y requerimientos
para la perforacin, que no supera los 150m2 (cuadrado de 10m x 15
m), se delimita con postes y cintas de sealizacin, (Fotos). La
instalacin y preparacin no dura ms de un da. La mayora de las veces
ya existe camino o huella hasta el punto de perforacin, en caso que
sta no existiera, se la hace durante el ingreso y trnsito de los
vehculos del equipo de perforacin. Aunque generalmente no es el
caso, puede ser necesario habilitar una plataforma (area para el
trabajo) si el terreno no es relativamente plano. Existen tcnicas
que permiten proteger el medio ambiente (suelo y agua) afectado
durante la preparacin de las faenas de perforacin.
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Figura 7.1. Movilizacin y cavado de fosas. Figura 7.2.
Preparacin perforadora.
Figura 7.3. Proteccin de suelos. Figura 7.4. Fosas de lodo.
Figura 7.5. Equipo de apoyo para perforacin. 2. Perforacin de
pozos.- El objetivo de la perforacin es hacer un orificio en la
roca que intercepte uno o varios acuferos y los conecte con la
superficie. La perforacin con el mtodo de rotacin consiste en: a)
La trituracin del suelo, sedimento y/o roca por el trpano giratorio
(broca) debido al peso del mismo, de las barras de perforacin
(tubera metlica, cilndrica y hueca por el centro) y a una carga
hidrulica que la maquina perforadora ejerce sobre el trpano a travs
de las barra de perforacin. b) La extraccin del detrito (material
triturado del fondo del pozo) en suspensin por el lodo de
perforacin (Fluido espeso en base a agua y bentonita). El proceso
comienza por el llenado de las pozas de decantacin con agua trada
en la cisterna, de alguna fuente superficial cercana y la
preparacin del lodo de perforacin que es una mezcla de agua y
bentonita (arcilla comercialmente disponible). Se coloca el trpano
(broca de cierto dimetro) en la primera barra de perforacin (tubera
de menor dimetro que la broca) y se inicia la perforacin en si
haciendo girar la barra de perforacin, por ende el trpano y
haciendo circular el lodo de perforacin. (Fotos).
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Alfaro A.A.A.A.
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El lodo de perforacin es inyectado a presin por dentro de las
barras de perforacin, sujetas a la torre de la perforadora, hasta
que sale por ciertos espacios del trpano levantando en suspensin
los detritos y circulando (saliendo) a la superficie por el espacio
entre las barras de perforacin y las paredes del pozo (debido a la
diferencia de dimetro entre el trpano y las barras). Una vez que el
lodo llega a la superficie, rebalsa del pozo (orifico hecho por el
trpano) y por la zanja excavada fluye hasta la 1ra poza de
decantacin donde los detritos se decantan. El rebalse de lodo de la
1ra poza pasa a la segunda poza por un canal excavado que las une y
de esta segunda poza el lodo de perforacin, ya sin detrito, es
recirculado e inyectado nuevamente al pozo a travs de las barras de
perforacin. El lodo adicionalmente lubrica y enfra las herramientas
de perforacin. (Fotos y diagramas). En caso que existiese prdida de
lodo de perforacin, por infiltracin dentro del pozo, se prepara ms
con agua limpia, trada de alguna fuente superficial en la cisterna,
y bentonita, en la segunda poza de decantacin. Esto se realiza las
veces que sea necesario durante la perforacin del pozo a fin de
garantizar el suministro permanente de lodo de perforacin. Conforme
el pozo se profundiza, se aumentan barras de perforacin a manera de
extensiones (deteniendo la perforacin, enroscando una nueva barra
encima de la que se encuentra sumergida en el pozo y reiniciando la
perforacin). De esta forma el trpano permanece conectado a la
mquina perforadora y puede continuar avanzando el pozo. Durante la
perforacin se toma una muestra del detrito que rebalsa del pozo
cada metro de avance (cada metro adicional que la barra de
perforacin se introduce en el pozo). Estos recortes (muestra de
detrito) indican la litologa que existe progresivamente a cada
metro por debajo de la superficie hasta alcanzar la profundidad
indicada por los estudios geofsicos donde se debera encontrar el
acufero. Una vez alcanzada la profundidad deseada, se extraen todas
las barras de perforacin y finalmente el trpano. Dejando el pozo
lleno del lodo de perforacin para evitar el derrumbe de las paredes
(la densidad y peso del lodo ejercen presin sobre las paredes y as
evitan derrumbes). El proceso de perforacin de pozos por lo general
no toma ms de 2 semanas para un pozo de 60m de profundidad, siempre
y cuando la roca no sea muy dura y no existan contratiempo serios
(derrumbes de paredes de pozo, problemas mecnicos, etc.).
Figura 7.6. Trpano o tricono. Figura 7.7. Comienzo de
perforacin.
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Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres
Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Ing.
RobertoIng. RobertoIng. RobertoIng. Roberto Alfaro Alfaro Alfaro
Alfaro A.A.A.A.
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Figura 7.8. Perforacin de pozos. Figura 7.9. Muestreo de
detritos. 3. Diseo.- El pozo perforado deber ser revestido por
tubera interior, plstica o metlica, a fin de evitar que las paredes
del mismo se derrumben y facilitar la salida a la superficie del
agua que proviene de los acuferos. El diseo permite la intercalacin
adecuada de tubera slida para evitar derrumbes y filtros (tambin
para evitar derrumbes) para permitir el flujo del agua desde el
acufero hacia el interior del tubo de revestimiento.
Tabla 7.2: Diametros recomendados de Pozo
El diseo y construccin de un pozo consiste en: a) La
identificacin de tramos, en profundidad, con litologa porosa y
permeable que sean posibles acuferos. b) El diseo de la distribucin
de tubera y filtros dentro del pozo. En base a los recortes
(muestras de detrito) colectados se elabora una columna litolgica
(secuencia progresiva del tipo de roca en profundidad) e
identifican los tramos, en profundidad desde la superficie, donde
existe litologa porosa y permeable, es decir posibles acuferos.
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Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina
Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres
Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Ing.
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Alfaro A.A.A.A.
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Esta columna indica que tramos del pozo debern ser entubados con
tubo slido y cuales con filtros de agua (tubera con ranuras para
permitir el ingreso del agua); es decir permite hacer el diseo en
si del pozo conociendo los metros de tubo slido y de filtro. (Los
tramos de posibles acuferos correspondern a sectores con filtros).
4. Construccin del pozo.- Consiste en el armado y construccin del
pozo tal que no se derrumbe y permita el paso continuo del agua del
acufero al tubo interior y de ah su extraccin a la superficie. Este
proceso se realiza mientras el pozo aun est inundado con lodo de
perforacin. La construccin de un pozo consiste en: a) La preparacin
de la secuencia adecuada de tubera y filtros. b) La introduccin de
tubera y filtros en el pozo. c) Engravillado del pozo. Una vez que
se tiene el diseo del pozo se corta y prepara, segn ste diseo, la
secuencia correcta de intercalacin de tubos slidos y filtros. Luego
se procede a la introduccin de la tubera y los filtros dentro del
pozo empezando con la tubera que corresponde a la parte ms profunda
del pozo, luego colando y entornillando (en el caso de tubera
plstica/en metlica se suelda.) el segmento que corresponde por
encima y sucesivamente hasta tener todo el pozo entubado con la
secuencia correcta incluyendo 50 cm a 1m de tubera visible por
encima de la superficie. (Fotos ). A la conclusin de la introduccin
de todos los tubos slidos y filtros, previstos en el diseo del
pozo, se procede a rellenar el espacio vaci (temporalmente ocupado
por el lodo de perforacin) entre las paredes del pozo (hueco
perforado) y los tubos introducidos con grava (aproximadamente 3m3
para un pozo de 60m de profundidad) obtenida de alguna fuente
cercana y trada en camin o el vehculo liviano de apoyo. Durante el
proceso de construccin participan el camin perforador, la cisterna
y el vehculo de apoyo. (Foto ). Diseo de Filtros de Grava. De las
curvas granulomtricas de todos los estratos del acufero, Se
determina el estrato formado por la arena ms fina y se escoge la
gradacin del filtro con base en el anlisis granulomtrico de este
material.
Figura 7.10. Diseno de filtros de grava Terzaghi and Pecks
sugieren para el diseo de filtros puede ser expresado como:
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Donde: Aquifer D15 es el tamano D15 del estrado mas grueso de la
formacion y Aquifer D85 es el D85 del estrato mas fino de la
formacion. Estos criterios estan ilustrados en Figura 7.10, along
with the recommendations on gravel pack design discussed below.
Existe un consenso general que la gradacion del gravel pack
debera ser: (1) uniforme (y por tanto tiene un similar coeficiente
de uniformidad al acuifero); (2) ms grueso que la gradacion del
acuifero por un factor especificado o rango de factores; (3) basedo
en el estrado del acuifero ms fino a ser screened.
Figura 7.10. Preparado de tubera de pozo. Figura 7.11. Inicio de
entubado.
Figuras 7.12 a, b y c. Proceso de entubado.
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Figura 7.13. Engravillado. 5. Desarrollo del pozo.- Es el lavado
del pozo que se realiza una vez que ste est construido. Consiste en
inyectar a presin agua limpia por el tubo interior hasta que salga
por los filtros y por el fondo del pozo expulsando por reemplazo el
lodo de perforacin dentro del orifico perforado y del mismo tubo
interior que rebalsa del pozo. Este lavado que utiliza grandes
cantidades de agua limpia (trada de alguna fuente superficial
cercana) se realiza durante las horas que sean necesarias hasta que
todo el lodo de perforacin haya sido expulsado o diluido y solo
rebalse agua limpia y sin partculas de arena en suspensin. Tambin
se puede realizar este lavado inyectando aire en vez de agua, donde
el aire obliga a subir al lodo de perforacin a la superficie.
Durante este proceso participan el camin perforador, la cisterna y
el vehculo de apoyo. Debido a la gran cantidad de agua limpia que
se utiliza y al volumen del lodo extrado del pozo, siempre ocurre
encharcamiento (inundacin local por la cantidad de lodo y agua
limpia). El lodo y agua que sale del pozo hasta que el lavado est
terminado se deja fluir, generalmente sin control, hasta algn
cuerpo de agua cercano. (Fotos).
Figura 7.15. Limpieza de pozo. Figura 7.14. Limpieza de
pozo.
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Figura 7.16. Limpieza de pozo. Figura 7.17. Limpieza de pozo. 6.
Pruebas de bombeo.- Ya lavado el pozo se procede a realizar la
prueba de bombeo que generalmente consiste en instalar una bomba
sumergible y bombear agua en un determinado tiempo a un caudal
constante hasta que el descenso del nivel del agua (nivel dinmico)
se estabilice. Estas pruebas pueden durar varias horas y hasta das.
El agua que sale del pozo por lo general es dejada que fluya
libremente hasta algn cuerpo de agua cercano. Durante este proceso
participan el camin perforador, la cisterna y el vehculo de apoyo.
7. Construccin del sello sanitario.- Consiste en una
plataforma/base de cemento de 1m2 alrededor del tubo interior del
pozo que sobresale 0.5 a 1m sobre la superficie. Este sello asegura
que la tubera del pozo no vaya a asentarse, entrarse y perderse
dentro del pozo y adems facilita la movilizacin de la gente
alrededor del pozo una vez que ste est al servicio de la misma. 8.
Instalacin de bombas.- Aunque no todas las veces se lo hace
inmediatamente despus de la perforacin, se debera instalar una
bomba de agua sumergible ya sea esta movida por energa elctrica
(electrobomba) o energa elica (bomba elica, muchas veces mal
llamada aerobomba). La instalacin de estas bombas se hace colgando
la electrobomaba sumergible de un cable junto a un tubo para el
agua, a cierta altura predeterminada segn la profundidad del pozo y
el nivel dinmico (nivel al que desciende el agua del pozo durante
la extraccin por bombeo), tal que pueda succionar agua sin quedar
expuesta por encima del nivel dinmico. El pozo, la bomba, el
tablero de control de encendido de la bomba y si fuese el caso el
generador de energa (en caso que no haya energa de red) quedan
dentro de un cuarto de unos 3m de lado, construido especficamente
para proteger los equipos de las inclemencias del tiempo. El cuarto
deber ser bien ventilado en caso que el generador de energa sea a
gasolina o diesel.
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Figura 7.18. Caseta de Bombeo. 9. Abandono del sitio de
perforacin.- Ya finalizadas todas las faenas de perforacin,
desarrollo de pozos, pruebas de bombeo y la construccin del sello
sanitario; se retira toda la maquinaria, equipo, implementos
utilizados desde el inicio de la perforacin y el personal. 10.
Construccin de tanques y/o estanques.- Aunque esta actividad no se
realiza todas las veces, y peor aun inmediatamente despus de la
perforacin, cuando si se la hace consiste en la construccin de un
tanque o estanque (piscina con techo) para almacenar el agua
extrada del pozo. El estanque puede ser hecho como piscina, es
decir debajo de la superficie o como tanque sobre la superficie o
construido a 6m de altura sobre la superficie. En cualquiera de los
tres casos el procedimiento es aquel de cualquier construccin de
obras civiles. 7.2. Consideraciones ambientales sobre la excavacin
y perforacin de pozos La excavacin y perforacin de pozos son
actividades que demandan poco tiempo y poco espacio, pero
lamentablemente son faenas sucias y desordenadas, adems de
invasivas del terreno.
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Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres
Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Ing.
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El impacto que generan estas actividades es de carcter temporal
y no significativo si manejados adecuadamente. Los riesgos de
contaminacin pueden controlarse en parte, las emisiones de
contaminantes prevenirse y mitigarse si fuese el caso necesario.
Aire.- La perforacin se hace en hmedo por lo que no hay generacin
de polvo. El ruido es inevitable pero corresponde solo al motor de
la perforadora. Agua.- En Peru no se realizan los estudios
necesarios para garantizar que la extraccin de agua de un pozo no
afectar otras zonas que, de forma natural o artificial, tambin
aprovechan el agua de acufero en cuestin. El agua proveniente de la
perforacin y que se deja fluir a cuerpos de agua no es txica ni de
mala calidad. Si bien el lodo tiene una gran cantidad de slidos
disueltos, parte de estos se diluyen durante el desarrollo del pozo
y las pruebas de bombeo. Suelo.- Si los vehculos y la maquinaria
estn bien mantenidos, no hay riesgo de prdida de aceites ni
lubricantes. La prdida de suelo por compactacin por el trnsito del
camin cisterna y el/los vehculos de apoyo es inevitable. Si bien el
lodo tiene una gran cantidad de slidos disueltos, parte de estos
deberan diluirse al mximo durante el desarrollo del pozo y las
pruebas de bombeo. Existen bentonitas que son biodegradables por lo
que el esparcirlas no representa un impacto siempre y cuando estn
bien diluidas y no generen una costra que cubra la vegetacin
autctona. Flora y fauna.- La experiencia ha demostrado que por el
corto tiempo que la perforacin de pozos dura, las especies de fauna
no emigran y la vegetacin por lo general se recupera pronto. En
algunos casos se dice de la perforacin que es un mal necesario que
debe ir en lo posible acompaada de previsiones para evitar al mximo
posible contaminacin. A partir de la promulgacin de la Ley General
del Ambiente en 2005, Ley de Recursos Hidricos en el 2009, las
actividades de perforacin de pozos que perforen mecnicamente ms all
del nivel fretico deben contar con una Licencia Ambiental. Sin
embargo, debido a la posicin y enfoque de las empresas privadas y
ONGs que sostienen que por la corta duracin de la perforacin de un
pozo, aproximadamente 2 a 3 semanas, y a consideraciones de tiempo
empleado y econmicas por el costo de elaboracin de una Ficha
Ambiental, estas no elaboran ni presentan sus fichas ambientales
antes ni despus de ejecutar la perforacin y construccin de pozos de
agua. 7.3. Rgimen natural del agua subterrnea El agua subterrnea
bajo condiciones naturales tiene cierto comportamiento
caracterstico (rgimen) que depende del lugar geogrfico en cuestin y
de las condiciones hidrometeorolgicas propias de dicho lugar. Por
lo general existe un equilibrio en el balance hidrolgico e
hidrogeolgico, donde las caractersticas del comportamiento (rgimen)
del agua subterrnea son el reflejo de las condiciones de dicho
balance, por ejemplo: el nivel fretico/piezomtrico, el espesor de
la zona saturada, la relacin abundancia de vegetacin disponibilidad
de agua subterrnea, tamao de los cuerpos de agua en poca de
estiaje, nmero de manantiales, etc.
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Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres
Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres Velasquez Ing.
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Los mapas piezomtricos son una buena expresin de las condiciones
naturales del rgimen de un acufero fretico, donde las curvas
piezomtricas guardan muy buena relacin con la topografa y el
drenaje, y las gradientes hidrulicas con la geologa. 7.4. Rgimen
del agua subterrnea bajo influencia de pozos. Cuando un acufero que
originalmente estaba en condiciones naturales es afectado por la
perforacin de uno o varios pozos y la extraccin de agua subterrnea,
su rgimen cambiar en mayor o menor magnitud en funcin a la cantidad
de agua que se extraiga de un determinado pozo o del conjunto de
pozos. En forma general se entiende y acepta que extraer agua de un
pozo en un acufero no genera un impacto negativo en dicho acufero
por la relacin de volmenes de agua que se extraera por el pozo y
aquel contenido en el acufero. Sin embargo ese pozo de manera local
si tendr un efecto en el rgimen del acufero, el cambio de rgimen se
da al descender el nivel del agua alrededor del pozo, el flujo
natural cambiar de velocidad y de direccin. Mediante clculos
matemticos se puede obtener valores piezomtricos y generar un mapa
piezomtrico que demuestra este cambio local y su relacin directa
con la cantidad de agua que se extraiga del pozo. El siguiente
ejemplo, ilustra la influencia ambiental de la extraccin de agua:
Si bien el agua que se extrae de un pozo no afectar al volumen de
agua el acufero, puede ser que ese pozo est ubicado gradiente
arriba de un manantial, por lo que al extraerse el agua el nivel
fretico descendera y el manantial se secara causando la desaparicin
de la vegetacin dependiente del agua de dicho manantial.
Figura 7.18. Rgimen hidrogeolgico en condiciones naturales.
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Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres
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Figura 7.19. Rgimen hidrogeolgico en condiciones de bombeo.
7.4.1. Flujo radial y convergente Al extraerse agua de un pozo se
genera un campo de influencia radial por lo que el flujo del agua
subterrnea hacia ese pozo ser de forma radial y convergente en el
mismo pozo. Es decir, que sin importar la direccin natural del agua
subterrnea, esta cambiar y converger en el pozo y lo har de manera
radial. Mientras ms agua se extraiga del pozo el radio de
influencia de modificacin del flujo natural ser mayor y el descenso
del nivel piezomtrico por la extraccin del pozo ser gradual
formando lo que se llama el cono de depresin. A mayor extraccin,
mayor dimetro de influencia y mayor el descenso del nivel dinmico,
es decir mayor el cono de depresin.
Figura 7.20. Flujo radial y convergente. 7.4.2. Descenso y
recuperacin del nivel del agua La extraccin de agua subterrnea por
medio de pozos causa que el nivel del agua descienda formando un
cono de depresin y el nivel al que el agua desciende se denomina
nivel dinmico. Una vez que la extraccin se detiene, el nivel del
agua (nivel dinmico) tender a retornar al nivel original
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Nestor Caceres Velasquez Universidad Andina Nestor Caceres
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denominado nivel esttico. El tiempo que el agua tarde en
recuperar su estado original, es decir su nivel piezomtrico y
direccin de flujo es variable y depende de las propiedades
hidrulicas del acufero y de la cantidad de agua en el acufero
(recarga). 7.5. Sobreexplotacin Si bien la extraccin de agua de un
solo pozo, tericamente, no afecta el volumen total del acufero, la
presencia de varios pozos desde los cuales se extrae agua de un
mismo acufero si puede representar una amenaza de consideracin a la
sostenibilidad de dicho acufero. El proceso de la extraccin
indiscriminada de agua de un acufero por medio de varios pozos, se
denomina sobreexplotacin. La ausencia de un registro de pozos de
agua y la inexistencia de estudios de recarga de acuferos fomentan
la sobreexplotacin.
Figura 7.21. Efectos de sobreexplotacin. 7.5.1. Dao del acufero
La sobreexplotacin de un acufero puede daar permanentemente las
propiedades hidrulicas de dicho acufero por causa de la succin de
agua que deja vacos los poros, permitiendo el colapso (hundimiento
por falta de presin hidrosttica) de los poros y la consecuente
reduccin de la permeabilidad. O por la oxidacin y sellado de los
poros por ptinas de xidos de hierro. 7.5.2. Subsidencias de terreno
Cuando el colapso de poros (por insuficiente presin hidrosttica que
mantiene los poros abiertos) ocurre en reas de mayor tamao (escalas
locales y regionales) el terreno por encima del acufero se puede
hundir como consecuencia en cadena del colapso de los poros del
acufero. Existen varios ejemplos de subsidencias (hundimientos)
ocurridas por la sobreexplotacin de agua subterrnea, entre los ms
conocidos se tiene la famosa Torre de Pisa en Italia y sectores de
la ciudad de Mexico D.F. que se hundieron hasta tres metros.
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