Palabras clave: Técnica de pozo único; Trazadores artificiales; Ensayos en sondeos; Fugas de embalses; Flujo subterráneo.

2. 1. VELOCIDAD DE FILTRACIÓN

El caudal de agua Q que circula a través de una sección S de un acuífero, cuya porosidad es p, se relaciona con la velocidad o,, a la cual se desplaza un trazador ideal adicionado al agua, por medio de la ecuación siguiente:

Q = V_t· p ·S

El producto v_t.p se denomina velocidad de filtración v_f o velocidad Darcy, la cual viene definida por la ecuación de este mismo autor v_f = K._i, siendo K la permeabilidad expresada, por ejemplo, en metros/día e i el gradiente hidráulico.

2.2. TEORIA DEL MÉTODO DE DILUCIÓN PUNTUAL

2.2.1 Principio del método

En el método de dilución puntual, la velocidad horizontal del flujo subterráneo se obtiene a partir de la disminución de la concentración en función del tiempo del trazador inyectado en un determinado volumen de un sondeo, como consecuencia del flujo que circula en dirección perpendicular al mismo.

El fundamento de este método fue expuesto por primera vez por Kocherin (1916), utilizando sal común como trazador. Después, el método ha sido desarrollado: más ampliamente por otros autores (Guizerix et al., 1963, Borowczyk et al., 1965 y 1967; Halevy, 1967; Moser y Neumaier, 1970; Baonza et al. 1970, Drost, 1983 y 1986) .

Supongamos que, en un tramo de la columna de agua de un sondeo de altura h y diámetro d, definido por dos "packers" de cierre perfecto, se inyecta una cierta cantidad de trazador, dando una concentración inicial Co. Se supone que se cumplen las siguientes condiciones:
a) El flujo de agua que circula a través del sondeo tiene un régimen estacionario.
b) En el volumen cilíndrico V=Õ d²/4 del tramo considerado, la distribución del trazador se conserva homogénea, es decir, en cualquier momento, la concentración en todos los puntos de este volumen es la misma. Ello implica que se cumple la condición de buena mezcla o de mezcla instantánea del agua que penetra en el volumen V.
e) La salida del trazador del volumen V sólo tiene lugar como consecuencia del flujo horizontal del acuífero.

Esto implica la ausencia de flujo vertical y de pérdidas significativas de trazador por difusión osmótica, es decir difusión derivada del gradiente de concentración existente entre el agua del sondeo y el agua del acuífero. En tales condiciones, la concentración de trazador en el volumen V disminuye en función del tiempo según la ecuación diferencial siguiente:

[2]

El término dV/dt = Q representa el caudal de agua que circula a través de la sección S=h·d. Integrando la ecuación (2), se tiene:

[3]

donde C_o es la concentración inicial de trazador en el volumen V y C, la misma al cabo del tiempo t. Si se tiene en cuenta que el caudal Q es igual al producto v_s·S, siendo o, la velocidad del flujo que circula, dentro del sondeo a través de la sección S y que el volumen V equivale a V= Õ d²h / 4, se llega a la expresión siguiente:

[4]

Por otra parte, la velocidad dentro del sondeo o, se relaciona con la velocidad de filtración por medio de la expresión a - v, siendo a un coeficiente que es necesario introducir debido a la perturbación hidrodinámica ocasionada por el sondeo en el flujo subterráneo.

El valor de este coeficiente puede calcularse o estimarse a partir de los datos constructivos del sondeo y de las permeabilidades del acuífero, relleno de grava y tubería de revestimiento. Su valor suele variar entre 1 y 4.

Tomando para la relación Co/Ct un valor igual a 10, se llega a la expresión:

[5]

donde t_1/10 es el tiempo necesario para que la concentración de trazador en el volumen V de reduzca al 10% de su valor inicial, es decir, para que se cumpla C_o/C_t = 10. La ecuación anterior es una fórmula práctica que permite determinar v_f en función de t1/10 Este último tiempo se determina experimentalmente midiendo la variación de la concentración en función del tiempo por medio de un detector apropiado situado dentro del volumen V del sondeo.

2.3. TÉCNICA EXPERIMENTAL

Los equipos construidos para la medida de la velocidad del flujo horizontal usan dos obturadores para definir el volumen V, en el cual se inyecta el trazador, y evitar, al mismo tiempo, el efecto de un posible flujo vertical, que pueda existir dentro del sondeo. El esquema básico de estos equipos se muestra en la figura 1.

FIGURA 1. Esquema ilustrativo del equipo utilizado para el ensayo de dilución puntual de sondeos

Todos los equipos desarrollados utilizan, como trazador, un material radiactivo, generalmente, ¹³¹I o ⁸² Br.
La técnica de medida consiste en situar el equipo a la profundidad deseada en la que se desea medir el flujo subterráneo, inflar los obturadores, inyectar el trazador y medir la curva de dilución (concentración en función del tiempo) durante un tiempo suficientemente largo para que sea posible la determinación precisa del parámetro t_1/10 .

El sistema de agitación garantiza la existencia de buen mezclado en el volumen de medida. La inyección del trazador puede hacerse por diversos procedimientos, por ejemplo, utilizando una bomba inyectora de miniatura incorporada al equipo o con un tubo que conecta con la superficie.

2.4. FACTORES LIMITANTES

El método de dilución puntual, tal como se ha descrito anteriormente, tiene varios inconvenientes que dificultan su aplicación práctica y que limitan las posibilidades de aceptación de la técnica. Los más importantes son los siguientes:

1) El método es demasiado puntual, debido a lo cual sólo en casos excepcionales es posible obtener valores realmente representativos de la velocidad del flujo subterráneo.
2) La utilización de obturadores no garantiza de forma segura la ausencia de flujos verticales. Estos pueden circular entre la tubería de revestimiento y el terreno, así como a través del relleno de grava en caso de que exista. Estos flujos interfieren también en la medida.
3) La utilización de material radiactivo constituye un serio inconveniente. A pesar de que las actividades necesarias son mínimas, en la mayoría de los países, se precisa una autorización para su uso. Incluso, en algunos países, el equipo no sería autorizado. Sin embargo la técnica puede utilizarse también con un trazador salino (sal común).
4) Los equipos sólo pueden utilizarse en sondeos perforados específicamente para los mismos porrazones de diámetro y ranurado de la tubería de revestimiento.
5) La técnica no funciona correctamente en el caso de acuíferos de rocas fracturadas. El coeficiente a no queda claramente definido, debiendo utilizarse, tal vez, un valor igual a 1.

2.5. MÉTODO BASADO EN El MARCADO DE TODA LA COLUMNA

2.5.1. Técnica experimental
Se trata, en este caso, de un método muy simple, que permite obtener información rápida cualitativa y, a veces, semicuantitativa sobre los flujos existentes a lo largo de la columna de agua del sondeo. La técnica ha sido desarrollada, principalmente, por los autores de este trabajo y aplicada, desde hace más de 25 años, en un número de sondeos mayor de 5000. El método se basa en el marcado de toda la columna de agua del sondeo con uno de los trazadores indicados en el apartado 1.

El procedimiento de marcado se ilustra en la figura 2A. Una manguera de plástico de 8 a 10 mm de diámetro interior se introduce hasta el fondo del sondeo, ayudándose, para su introducción, de un pequeño lastre colgado de su extremo inferior.

FIGURA 2. Métodos de marcado de toda la columna de agua en sondeos

La manguera se encuentra abierta por ambos extremos. Por el extremo superior de la manguera, se inyecta un volumen de la solución de trazador igual al volumen interno de la misma, medido desde el nivel piezométrico hasta el fondo del sondeo. A continuación, se extrae lentamente la manguera a una velocidad, aproximadamente, constante, con lo cual el trazador queda distribuido uniformemente a lo largo de la columna de agua.

La inyección puede hacerse, simplemente, por gravedad o bien por medio de una pequeña bomba. Supongamos que se utiliza como trazador una solución saturada de sal común, cuya solubilidad en agua es de unos 350 g/l.

La conductividad aproximada de esta solución es 467 mS/cm. Por otra parte, la sección interna de la manguera de 1 cm de diámetro es 0,785 cm'. Si la inyección se realiza en un sondeo de 6 cm de diámetro, cuya sección es 28,3 cm2, la dilución que se produce asciende a 28,3/0,785=36. Por tanto, la conductividad del agua del sondeo se incrementará en un valor de 467/36=13 mS/cm. Este aumento de conductividad es suficiente para realizar el ensayo con comodidad si la conductividad inicial del agua del sondeo es inferior a unos 5 mS/cm.

Si se trata de un sondeo de gran diámetro, caso poco frecuente en estudios de fugas de embalses, puede ser necesario utilizar una manguera de diámetro mayor o bien realizar la inyección del trazador por medio de una bomba peristáltica.

En este caso, se calcula primero el volumen de solución de sal común que se precisa inyectar en el sondeo para, que una vez distribuido por toda la columna, se alcance la conductividad deseada. Este volumen de solución se coloca dentro de un tanque o recipiente apropiado y se inyecta por medio de la bomba, desplazando la manguera verticalmente hacia arriba y hacia abajo hasta que todo el volumen haya sido inyectado. La técnica no precisa que la distribución del trazador sea perfecta. Una vez realizada la inyección del trazador, se inician las medidas de sucesivos perfiles de concentración barriendo toda la columna con el detector en saltos de, por ejemplo, 1 o 2 metros, o bien de forma continua si se dispone de un equipo accionado con un motor.

La frecuencia de los perfiles tiene que ser elegida de acuerdo con la velocidad de dilución del trazador. Lo normal es comenzar con una frecuencia muy alta, por ejemplo, cada 5 minutos, la cual se modifica posteriormente en función de la velocidad de dilución del trazador.

El método que se ilustra en la figura 2B se utiliza cuando la velocidad del flujo subterráneo es tan elevada, que la mayor parte del trazador escapa del sondeo en el intervalo de tiempo que transcurre entre la extracción de la manguera y la introducción de la sonda de medida. Esto ocurre con cierta frecuencia en estudios de fugas de embalses, debido a los elevados gradientes hidráulicos que suelen existir.

En este caso, se introduce en el sondeo la sonda de medida y la manguera de inyección unidas por medio de una cinta adhesiva. El extremo inferior de la manguera se sitúa por encima del detector a una distancia de éste de, por ejemplo, 2,5 metros, tal como se indica en la figura.

La manguera se llena de solución de trazador de la misma forma indicada anteriormente. A continuación, se eleva el conjunto manguera y detector en un tramo de 5 metros. Cuando se hace esto, se marca un tramo de columna de agua del sondeo igual, asimismo, a 5 metros y el detector queda situado, aproximadamente, en el centro del tramo marcado.

Manteniendo fijos en esta posición la manguera y el detector, se mide el cambio de la concentración de trazador en función del tiempo. Como el flujo es muy rápido, el trazador escapa al cabo de unos minutos. Una vez finalizada la medida, se eleva el conjunto manguera y detector otros 5 metros y se repite la medida. El proceso se continúa del mismo modo hasta barrer todo el tramo afectado por el flujo rápido.

2.5.2. Interpretación de los resultados

Obviamente, este método sólo proporciona la velocidad horizontal del flujo subterráneo, cuando no existe flujo vertical dentro del sondeo. Por tanto, debido a la elevada frecuencia con que se presenta los flujos verticales, sólo en casos limitados se llega a un valor fiable de esta velocidad horizontal. Generalmente, esto es así cuando se trata de sondeos de escasa profundidad (columna de agua de pequeño espesor). En sondeos con una gran penetración dentro del acuífero, se tienen muy frecuentemente, flujos verticales. Este tipo de flujos son, asimismo, muy frecuentes, en el caso de acuíferos de rocas consolidadas fracturadas o carstificadas cuando los sondeos atraviesan dos o más niveles de fracturación o de carstificación. Sin embargo, incluso en estos casos, la técnica tiene gran interés, porque proporciona información sobre la localización de los principales horizontes permeables atravesados por el sondeo, con indicación de las zonas de entrada y salida del agua.

Como es fácilmente comprensible, para poder interpretar los resultados de forma correcta es preciso tener información sobre los aspectos constructivos del sondeo.

Los parámetros básicos necesarios son el diámetro interno del sondeo, las características del ranurado realizado en la tubería de revestimiento y datos sobre el posible relleno anular de grava. La figura 3 muestra los tipos de perfiles que suelen obtenerse con esta técnica.

En el caso de la figura 3A, se tiene un flujo horizontal en el tramo intermedio del sondeo. Los sucesivos perfiles de concentración del trazador muestran la disminución de la misma dentro del tramo indicado. En el caso de la figura 3B, existe un flujo vertical descendente, con la entrada de agua localizada en el tramo indicado con la letra E y la salida por el tramo indicado con la letra S.

FIGURA 3 . Tipos de perfiles que se obtienen en el marcado de toda la columna de agua de sondeos. A=flujo horizontal; B=flujo vertical descendente; C=flujo vertica ascendente. E=entrada de agua; S=salida del agua

Los sucesivos perfiles de concentración muestran como ésta va disminuyendo de forma progresiva entre ambos tramos permeables.

Las pérdidas de trazador que se producen por encima del tramo E y por debajo del tramo S son consecuencia, principalmente, de la turbulencia creada en el interior del sondeo por el flujo de agua. Debe indicarse que, cuando se utiliza sal común corno trazador, la salinidad del agua del sondeo y, por tanto, su densidad, aumentan como consecuencia de la inyección del mismo.

Por tanto, cuando el agua se renueva en el tramo comprendido entre E y S, entra agua menos salina en el sondeo y se crea una interfase de aguas con distinta densidad en el techo del tramo E.

La consecuencia es que el agua de mayor densidad existente por encima de este punto tiende a descender por efecto de densidad y el sondeo se "limpia" de trazador en dicho tramo, sí bien con una velocidad menor que en el tramo afectado por el flujo vertical.

En cambio, en la interfase que se forma en el muro del tramo S, la columna de agua es estable, porque el agua de mayor densidad se encuentra a una profundidad mayor. El caso de la figura 3C es igual que el de la figura 3B, sólo que con un flujo vertical ascendente. En ambos casos, la velocidad del flujo puede determinarse de forma aproximada por el descenso o ascenso de los frentes de trazador dentro del sondeo, es decir, a partir de las distancias correspondientes a concentraciones iguales de dos frentes sucesivos. Estas distancias divididas por el intervalo de tiempo transcurrido entre la medida de los dos perfiles proporcionan la velocidad del flujo vertical. Obviamente, los perfiles de temperatura y conductividad, medidos antes de inyectar el trazador, son siempre de gran ayuda para interpretar los resultados de los ensayos de marcado de toda la columna de agua, así como los ensayos de flujos verticales, que se describen más adelante.

La presencia de un flujo vertical produce la homogeneización de la temperatura y conductividad en el tramo afectado por dicho flujo. Igualmente, los flujos horizontales son reflejados por estos perfiles mediante cambios de ambos parámetros. Generalmente, en los tramos del sondeo sin flujo significativo, el agua muestra una conductividad más elevada que en los tramos donde existe flujo. La temperatura puede ser mayor o menor, según los casos. Las figuras 4 y 5 muestran ejemplos de ensayos de marcado de toda la columna con resultados diferentes. La primera de estas figuras corresponde a un sondeo donde no existían flujos verticales.

El trazador utilizado fue ¹³¹l. Los perfiles obtenidos son similares a los perfiles teóricos mostrados en el figura 3A. La figura 4B muestra la disminución de la concentración de trazador, expresada en forma logarítmica, en función del tiempo, dentro del tramo afectado por el flujo. Se observa que la ley exponencial definida por la ecuación (3) se cumple de forma satisfactoria. La pendiente de la recta proporciona un valor del parámetro ti/ lo igual a 33 horas.

Con este valor, con el diámetro interno del sondeo (46 cm) y con un valor del coeficiente a igual a 2 (valor estimado), se obtiene, por medio de la ecuación (5), una la velocidad del flujo subterráneo igual a 30,3 cm/d (velocidad Darcy) .

La figura 5A muestra la identificación de un tramo fracturado dentro de un acuífero calcáreo. El ensayo se realizó, como en el caso anterior, usando ¹³¹I. La disminución de la concentración en función del tiempo, dentro de este tramo, proporciona una velocidad del flujo subterráneo de 44 cm/d. Lógicamente, se trata de un valor aproximado. El caso de la figura 5B corresponde a dos pozos situados a escasos metros de distancia del lago de Managua (Nicaragua) .

Se observa la existencia de un flujo horizontal importante en los tramos donde se encontraban los filtros. El estudio tenía por finalidad investigar la conexión hidráulica entre este lago y la laguna de Asososca situada a unos 2 km de distancia. Por último, la figura 5C corresponde a un sondeo donde existía un flujo vertical descendente con entrada de agua a una profundidad de unos 25 metros y salida a unos 69 metros. Las pérdidas de trazador (sal común) por encima de 25 metros se deben al efecto de densidad.

FIGURA 5. Ejemplos de ensayos de marcado de toda la column de agua en sondeos

3. MEDIDA DE FLUJOS VERTICALES

3.1. MÉTODOS EXPERIMENTALES

La presencia de flujos verticales en sondeos es muy frecuente. Este tipo de flujos se presentan cuando el sondeo pone en comunicación dos estratos o tramos fracturados que tienen diferente carga hidráulica. En estudios de fugas de embalses, la presencia de flujos verticales en los sondeos de la zona afectada por las mismas es, particularmente, frecuente.

Por regla general, en sondeos próximos a las surgencias, se tienen flujos verticales ascendentes, porque el agua que escapa del embalse tiende a salir a la superficie. Debido a las grandes diferencias de nivel entre el embalse y los sondeos los flujos verticales pueden ser, extraordinariamente, elevados. Cuando la boca del sondeo se encuentra por debajo del nivel del agua del embalse, el sondeo es surgente con mucha frecuencia. Los autores del presente trabajo han desarrollado diferentes métodos para la medida de flujos verticales en sondeos basados en el empleo de trazadores. Estos métodos son de gran utilidad cuando la velocidad del flujo no permite el empleo de otros métodos, por ejemplo los basados en un micromolinete. Se describen, a continuación algunos de estos métodos (véase figura 6)

FIGURA 6. Esquemas ilustrativos de diversas técnicas para la medida de flujos veticales en sondeos basadas en la inyección puntual de trazadores.

3.1.1. Desplazamiento de la nube de trazador

Si el flujo vertical es suficientemente lento, puede utilizarse un método muy simple, consistente en realizar una inyección puntual del trazador a una profundidad próxima al punto donde se inicia el flujo. La inyección se hace por el método ilustrado en la figura 6A. Una manguera de plástico se introduce hasta la profundidad donde se quiere efectuar la inyección.

Por el extremo superior de esta manguera, se inyecta el trazador seguido de un volumen de agua suficiente para desplazar toda el agua contenida en la manguera entre el nivel freático y la profundidad de inyección. Inmediatamente después de realizada la inyección, se inicia la medida de perfiles de concentración de trazador, con el objeto de determinar la posición de la nube de éste en función del tiempo. Se obtienen así curvas del tipo mostrado en la figura 7.

La velocidad del flujo se obtiene dividiendo la distancia en metros existente entre los picos de dos curvas consecutivas por el tiempo transcurrido entre la medida de ambas curvas. Lógicamente, cuando el trazador llega a una zona donde escapa del sondeo, total o parcialmente, la velocidad del flujo vertical disminuye, así como el área de la curva.

FIGURA 7. Ensayo de flujo vetical realizado con yodo-131. El trazador se inyectó a 102 metros de profundidad. La entrada del agua se produce en un tramo comprendido entre 100 y 102 metros y la salida entre 35 y 65 metros.

3.1.2. Método de los dos picos

En este método, se utilizan dos detectores situados entre sí a una distancia conocida. El método se ilustra en la figura 6B. La inyección del trazador se realiza por debajo de la posición ocupada por los detectores, si el flujo vertical es ascendente, o por encima, si es descendente. La inyección se realiza de forma instantánea utilizando un inyector que se acciona desde la superficie o una pequeña bomba peristáltica, que se pone en marcha durante unos segundos.

El trazador inyectado de forma puntual da origen a dos picos de concentración cuando éste pasa, respectivamente, por la zona donde se encuentran los dos detectores. La velocidad del flujo se obtiene dividiendo la distancia conocida entre los detectores por el tiempo transcurrido entre los dos picos de concentración, que se determina experimentalmente.

3.1.3. Desplazamiento de la línea de inyección

Este método se ilustra en la figura 6C. Dentro del sondeo, se introduce una manguera de plástico y un detector sujeto a la misma con una cinta autoadhesiva. La distancia entre el extremo de la manguera y el detector es conocida (por ejemplo, 2 metros) .

El extremo de la manguera se sitúa por encima del detector, si el flujo vertical es descendente, y por debajo si es ascendente. Generalmente, el dispositivo se introduce hasta el fondo del sondeo. El lastre del extremo de la manguera tiene una salida de pequeño diámetro (por ejemplo, 5 mm) para disminuir las pérdidas de trazador con el sistema en reposo.

A continuación, la manguera se llena de solución de trazador, inyectando por el extremo superior un volumen de dicha solución, que sea igual al volumen interno de la manguera medido entre el nivel freático y el extremo de la misma. Después de esto, la línea de medida (manguera y detector) se eleva de forma rápida dos metros. Cuando se hace esto, se libera por el extremo inferior de la manguera el trazador contenido en un tramo de igual longitud.

Esta fracción de trazador viaja hacia el detector, arrastrado por el flujo vertical y se mide el tiempo transcurrido entre el momento de elevar la línea de inyección y la llegada del trazador a la posición del detector. La velocidad del flujo vertical se calcula dividiendo la distancia de 2 metros por este tiempo. El ensayo se repite, elevando cada vez la línea de medida una distancia de 2 metros, hasta que el flujo vertical desaparezca.

3.1.4. Inyección puntual con bomba peristáltica

Esta técnica se ilustra en la figura 6D. Lo mismo que en el caso anterior, se introduce, hasta el fondo del sondeo, una línea formada por la manguera de inyección y el detector. El lastre tiene, asimismo, una salida estrecha. La inyección se realiza por medio e una bomba peristáltica según el esquema de la figura. La manguera se llena primero con solución de trazador antes de introducirla en el sondeo y se cierra la llave de paso. A continuación, se introduce la manguera en el sondeo, se abre la llave de paso y se pone en marcha la bomba durante un tiempo de, por ejemplo, 5 segundos. El trazador que sale por el extremo inferior de la manguera llega al detector transportado por el flujo vertical. Se mide el tiempo transcurrido entre la inyección (tiempo medio de funcionamiento de la bomba) y el tiempo medio de llegada del trazador a la posición ocupada por el detector. La línea de inyección se eleva con una longitud igual a la distancia entre el detector y el extremo inferior de la manguera y se repite el ensayo. Se continua así hasta barrer todo el tramo del sondeo afectado por el flujo vertical. La electroválvula garantiza que el trazador deje de salir por el extremo inferior de la manguera una vez que ha terminado el período de inyección. La bomba peristáltica puede no ser necesaria si la carga de agua, determinada por la profundidad del nivel piezométrico, es suficiente. La inyección se realiza entonces, simplemente, abriendo la electroválvula durante un corto período de tiempo. En el caso de que el nivel piezométrico no se encuentre muy profundo, puede prescindirse de la electroválvula. La inyección se realiza entonces poniendo en marcha la bomba durante unos segundos.

3.2. INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS

La interpretación de los flujos verticales es muy simple y se realiza mediante la elaboración de diagramas en los que se representa la variación de la velocidad del flujo vertical en función de la profundidad. Uno de estos diagramas se muestra superpuesto en la figura 7. En el tramo por donde entra el agua, se produce un aumento del flujo vertical. En tramos impermeables, el flujo vertical se mantiene constante. En los tramos por donde sale el agua, la velocidad del flujo vertical disminuye. En el caso mostrado en la figura 7, además de disminuir la velocidad del flujo, disminuye también el área de las curvas, debido a las pérdidas de trazador. La figura 8 muestra el caso de un sondeo estudiado por el método de marcado de toda la columna de agua y por el basado en la inyección puntual de trazador. Puede verse que ambos métodos proporcionan valores satisfactorios de la velocidad del flujo vertical ascendente.

FIGURA 8. Ensayos de marcado de toda la columna de agua y de inyección puntual realizados en un mismo sondeo. Se observa que ambos ensayos proporcionana valores similares de la velocidad de flujo vertical.

(**) Doctor en Ciencias Geológicas, AMATOSA Ingeniería S.L., Madrid