12 Diciembre 2018

Pozos perforados (pozo profundo)

Autor
Marco Bruni y Dorothee Spuhler (seecon)
Adaptado por
Luis Roberti Pérez (seecon)
Adaptado de

Resumen ejecutivo

Los pozos perforados pueden servir como un suministro de agua a bajo costo para hogares, pequeñas comunidades rurales y para áreas urbanas. El principio de funcionamiento es bastante simple: se perfora un agujero en una masa de agua subterránea y luego se extrae el agua infiltrada con la ayuda de una bomba accionada por fuerza humana o mecanizada. La construcción es rápida y varias técnicas simples de perforación están disponibles para la mayoría de las condiciones geológicas.

Ventajas
Más rápido y más económico de perforar que los pozos excavados a mano
Menos susceptible a la contaminación
No se requiere de la eliminación de agua durante la perforación
Se requiere menos material de revestimiento (en comparación con los pozos excavados a mano)
Más seguro en la construcción y el uso (en comparación con los pozos excavados a mano)
El pozo en sí apenas necesita mantenimiento
Hay muchas técnicas de perforación simples disponibles que satisfacen la mayoría de las condiciones geológicas
Desventajas
El punto de perforación debe ser identificado
Personal cualificado y expertos requeridos para la perforación
Se requiere una bomba que necesita operación y mantenimiento apropiados
Menor rendimiento que los pozos excavados a mano (diámetro más pequeño)
La sobreexplotación puede provocar efectos adversos en el medio ambiente
Puede haber contaminación por arsénico
Más equipo técnico y habilidades necesarias para la construcción (en comparación con los pozos excavados a mano)
Sin capacidad de almacenamiento integrada / recarga durante períodos de baja abstracción

Introducción

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Perforación de pozos
Perforación de pozos. Fuente: HIERRO 2016 [imagen online]

En todo el mundo, cientos de miles de pozos perforados manualmente proporcionan a los habitantes de las zonas rurales agua para la agricultura, la industria y el uso doméstico. La perforación manual de pozos de agua para uso doméstico y productivo es muy común en zonas de Bangladesh y la India. Recientemente, esta técnica se ha introducido en algunas partes de América Latina, pero aún existe desconocimiento de su potencial para suministrar agua a bajo costo, lo que lleva a algunos profesionales del sector del agua a considerarla inaceptable (DANERT 2009). No obstante, la perforación manual puede resultar muy atractiva, pues puede ser llevada a cabo por pequeñas empresas locales.

Además de la construcción manual, los pozos también se pueden perforar mecánicamente. Los equipos de perforación van desde máquinas bastante simples hasta otras más sofisticadas y potentes, capaces de perforar más de 200 metros de profundidad (SMET y WIJK 2002). Particularmente, en regiones con acceso limitado a materiales de construcción, equipos, medios financieros y conocimientos, la perforación mecanizada solo juega un papel menor ya que no acorta el tiempo de construcción ni ofrece soluciones de bajo costo.

El principio básico de los pozos perforados es simple: se perfora un agujero en una masa de agua subterránea y luego se extrae el agua infiltrada con la ayuda de una bomba manual o mecanizada. En comparación con los pozos excavados, los diámetros de los pozos perforados son mucho menores: en un contexto rural, los pozos suelen tener un diámetro de 50 mm, mientras que los grandes complejos urbanos de extracción requieren agujeros de hasta 300 mm de diámetro (DANERT 2009; SMET y WIJK 2002). En términos de longitud, los pozos perforados manualmente alcanzan técnicamente hasta 200 metros, aunque una longitud máxima de 35 metros para los pozos perforados a mano es más común. Para pozos que se extienden a más de 50 metros, la perforación manual generalmente no representa una opción, haciendo que sea necesaria la perforación mecánica. El rendimiento del pozo en términos de cantidad depende de su profundidad y diámetro, la capacidad de recarga del acuífero y el desarrollo del pozo. Dado que el agua subterránea suele ser de calidad para el agua potable, con frecuencia no se requiere purificación. Sin embargo, los pozos perforados son susceptibles de contaminación a menos que sean operados, mantenidos y protegidos adecuadamente. Además, se debe prestar una atención estricta a la tasa de abstracción, ya que de ser muy elevada puede dar lugar a diversos efectos sobre el medio ambiente, como por ejemplo que: el nivel freático baje más allá del alcance de los pozos existentes; se sequen los humedales; haya intrusión de agua de mar en casos donde el pozo esté en áreas costeras; y, se imposibilite el uso agrícola por la formación de cráteres o colapso del suelo.

Consideraciones de diseño

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Antes de comenzar a diseñar y desarrollar cualquier tipo de fuente de agua, se debe realizar una evaluación inicial para poder administrar y desarrollar de manera eficiente los recursos hídricos. Esta evaluación incluye, por un lado, una estimación del balance de agua (es decir, recolección de datos hidrológicos, determinación del estado actual, tendencias del suministro de agua, un análisis de insumo-producto y un análisis de flujo de agua y materiales) y, por otro, una evaluación de los recursos hídricos (es decir, la evaluación y estudio sistemático de estos en relación con el impacto humano, por ejemplo, evaluación de la demanda, estimación de tendencias, análisis del uso y la calidad del agua). Al analizar el lado de la demanda, los problemas de asignación de agua juegan un papel vital. Eventualmente, esta evaluación puede conducir a un plan de desarrollo de recursos hídricos que describa el estado, la gestión y el desarrollo futuro de los mismos en un área o cuenca hidrográfica en particular.

Como primer paso para construir un pozo, se debe evaluar su ubicación, ya que es crucial para su éxito y sostenibilidad a largo plazo. No solo está determinado por factores físicos (por ejemplo, la geología, la hidrología, la proximidad al sitio real de uso), sino también por factores "blandos" (por ejemplo, aceptación de la comunidad, capacidades de operación y mantenimiento del pozo incluida la bomba, el tipo del uso del agua, hábitos locales, etc.). Los habitantes de las comunidades vecinas, así como ciertos tipos de vegetación (por ejemplo, plantas de banano, juncos, caña de azúcar, palmeras datileras) pueden ser una buena fuente de información sobre la presencia de aguas subterráneas poco profundas (COLLINS 2000).

Una vez seleccionado el lugar donde estará localizado el pozo entonces se debe perforar un agujero e instalar un revestimiento (tubería) permanente. De esta manera, para acceder al agua subterránea los trabajos de perforación deben incluir: romper o cortar la roca o suelo; retirar el material cortado del orificio y, de ser necesario, proporcionar soporte a las paredes de este para evitar el colapso mientras se perfora (WAL 2010); y, por último, ejecutar pruebas de bombeo y desarrollar el pozo.

Existe una gran cantidad de técnicas, pero, en general, se distinguen cuatro tipos distintos de perforación manual: con barrena (para comunidades con pocos recursos), a percusión (perforaciones hasta 25 m), por eliminación de lodos (perforaciones hasta 35 m) y por inyección de agua (WAL 2010). Estas técnicas se describen a continuación:

Perforación manual con barrena
Perforación manual con barrena. Fuente: ELSON and SHAW 1999, p. 42

Perforación con barrena

La perforación con barrena se hace mediante barras de acero extensibles que se rotan o giran de forma manual y en cuyos extremos se pueden colocar diferentes tipos de brocas o barrenas. Una vez que se llenan de exceso de tierra cuando penetran rotando en el suelo, se deben sacar para ser vaciados. Por encima del nivel freático, el pozo generalmente permanece abierto sin necesidad de ningún tipo de soporte. Por debajo del nivel freático puede ser necesaria una carcasa temporal, para evitar que el pozo colapse. La perforación continúa dentro de la carcasa temporal usando un achicador (bailer), hasta que se alcanza la profundidad deseada. Es allí cuando se procede a instalar una carcasa permanente del pozo, retirando la temporal. Las brocas o barrenas se pueden usar hasta una profundidad de unos 15-25 metros, dependiendo del tipo de suelo, que podría ser arenoso, de arcilla suave o limo. Estas perforaciones tienen la ventaja de emplear equipos y/o herramientas económicas y que son fáciles de usar por encima de la capa freática. No obstante, podría ser difícil remover la carcasa temporal (WAL 2010).

Perforación manual a percusión

Perforación manual a percusión
Perforación manual a percusión. Fuente: ELSON and SHAW 1999, p.42

La perforación manual a percusión utiliza una herramienta pesada de corte (broca o barrena) que está unida a una cuerda o cable para cortar, martillar o fracturar el suelo. Esta herramienta se deja caer, una y otra vez, por su propio peso al orificio de perforación empleando un trípode. Al agujero se le añade agua que se mezcla con el material fracturado transformándose en lodo, que por un lado va consolidando las paredes del pozo perforado y, por el otro, hace que se eleven los fragmentos rocosos. También, hay que mencionar que se usa un achicador (bailer) que ayuda a extraerlos. La broca o barrena se sube de nuevo y se deja caer en el orificio tantas veces como se necesite. Al igual que ocurre en la perforación con barrena se puede usar una carcasa temporal de plástico o, preferiblemente, de acero para evitar que que el agujero se derrumbe o se hunda. En el momento de colocar la carcasa permanente, se debe retirar la temporal. Este tipo de perforación se utiliza para profundidades de hasta 25 metros y con suelos de arena, limo, arcilla dura, piedra arenisca, laterita, grava y rocas pequeñas. La ventaja está en que este método logra perforar formaciones duras, pero el equipo que se utiliza es bastante pesado y caro, además de que el proceso es lento en comparación con otros (WAL 2010).

Perforación manual por eliminación de lodos

Perforación manual por eliminación de lodos
Perforación manual por eliminación de lodos. Fuente: ELSON and SHAW 1999, p.43

La perforación por eliminación de lodos emplea la circulación de agua para llevar el suelo que se perfora a la superficie. Los tubos de perforación se mueven, progresivamente, hacia arriba y hacia abajo ayudados con un brazo de palanca. En el movimiento descendente, el impacto de la broca afloja el suelo, mientras que en el ascendente la parte superior del tubo se cierra a mano (o con válvula en algunos casos) permitiendo que el agua arrastre por la tubería el material fracturado hacia la superficie. En el siguiente movimiento descendiente, se retira la mano del tubo y el agua llega hasta un pequeño estanque que se ha excavado previamente junto a la perforación, donde el agua decantada se recircula y reúsa en el proceso. Se pueden agregar aditivos espesantes al agua para evitar que el orificio perforado colapse. Este tipo de perforación puede usarse hasta profundidades de unos 35 metros y donde el suelo puede ser de arena, limo, arcilla suave o dura y formaciones rocosas consolidadas. El proceso es muy fácil de aplicar y, además, no se requiere de carcasa temporal. La desventaja es que el nivel freático es desconocido durante la perforación (WAL 2010).

Perforación por inyección de agua

La perforación por inyección de agua se basa en la circulación y la presión del agua. A diferencia de la perforación por eliminación de lodos, el agua se inyecta a presión por las tuberías de perforación y sale por el fondo del agujero. Esa gran cantidad o volumen de agua tiene un efecto erosivo en la parte inferior del pozo y tanto ésta, como el material fracturado, se transportan a la superficie entre la tubería de perforación y la pared del pozo. Para lograr un flujo adecuado de agua se utiliza una bomba de motor o una bomba de pedal. El tubo de perforación puede tener simplemente un extremo abierto o se puede agregar una broca, usando además una rotación parcial o total del tubo de perforación. Se pueden agregar espesantes (aditivos) al agua para evitar el colapso de los orificios. La inyección (con rotación) se usa generalmente hasta profundidades de 35. Este tipo de perforaciones está limitado para suelos arenosos y con capas delgadas de arcilla suave, siendo muy rápidos en arena. La desventaja es que se necesita de mucho trabajo a la vez y que, además, el nivel freático es desconocido durante la perforación (WAL 2010).

Perforación manual por inyección de agua
Perforación manual por inyección de agua. Fuente: ELSON and SHAW 1999, p. 43

 

Cada vez más, se usan una o dos técnicas en combinación (DANERT 2009) pero, sin embargo, es importante reconocer que un pozo perforado a la misma profundidad, en el mismo acuífero y debidamente hecho, será igualmente productivo independientemente del método de perforación que se use (UNICEF 2010). La elección de la técnica de perforación óptima depende, principalmente, de las condiciones geológicas e hidrológicas, así como de la experiencia y fondos económicos de las comunidades locales o los contratistas de perforación.

En lo que respecta a las perforaciones mecanizadas existen dos: perforación por martilleo en el fondo del agujero y perforación rotatoria. No obstante, este tipo de perforaciones requieren de la participación de mano de obra profesional, equipos y un presupuesto elevado, por lo que para zonas rurales de países en vías de desarrollo se consideran inadecuadas.

Después de perforar el agujero, se deben instalar varios elementos antes de que el pozo pueda ponerse en funcionamiento, es decir: la bomba; la plataforma que protege la abertura en la superficie de contaminantes o partículas que ingresan al pozo; el sello sanitario que es una capa impermeable, hecha preferiblemente de concreto, que evita la contaminación del pozo reteniendo las filtraciones a través del empaque de grava a lo largo del pozo; el revestimiento del pozo, tubo de PVC  que evita que este colapse y se filtren contaminantes; el filtro o rejilla del pozo que retiene los sedimentos mientras permite que el agua se infiltre en el pozo; y, el empaque de grava, compuesto de grava y arena graduada, sirve para rellenar el espacio entre el filtro y el pozo. Solo es necesario si el suelo circundante tiene un tamaño de grano más pequeño que el tamaño de la ranura de la pantalla (WATERAID s.f., BALL 2001; WAL 2010).  A continuación, se puede observar la siguiente figura con algunos de los elementos característicos de un pozo perforado:

Elementos de un pozo perforado
Elementos de un pozo perforado. Fuente: WATERAID s.f., p.15

 

Idoneidad

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Los pozos perforados pueden servir como suministro de agua para hogares individuales, para pequeñas comunidades rurales y para más áreas urbanas, dependiendo del tamaño del pozo (profundidad y diámetro) y las condiciones hidrológicas. La perforación manual es una solución práctica y de bajo costo para pozos de menos de 40 metros de profundidad en suelos aluviales o formaciones rocosas blandas (UNICEF 2010). Varias técnicas simples de perforación manual están disponibles para la mayoría de las condiciones geológicas; sin embargo, se necesita mano de obra experimentada y algunos equipos para la construcción. Debe tenerse en cuenta que, con la construcción, la provisión de agua aún no está garantizada, ya que el agua necesita, no sólo ser traída del fondo a la superficie con la ayuda de una bomba por fuerza humana o una bomba mecanizada, sino también distribuida. Se debe garantizar el mantenimiento adecuado de estos dispositivos (DANERT 2009).

Los pozos perforados para hacer uso de aguas subterráneas son tecnologías de captación que se encuentran dentro de los sistemas abastecimiento comunal por bombeo, sin tratamiento y con tratamiento, y fuentes pequeñas protegidas con transporte manual. Estos dos sistemas son aplicables para todos los escenarios  propuestos en esta herramienta. No obstante, debido a que se necesita un equipo técnico con habilidades y personal calificado, los pozos perforados no son idóneos para las poblaciones que no cuentan con capacidades ni recursos suficientes como para poder perforar a la profundidad en la que se encuentre la fuente.

Aspectos de salud y aceptación

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En general, los pozos perforados son menos susceptibles a la contaminación en comparación con los pozos excavados. Aun así, particularmente en áreas con un desarrollo rápido, el riesgo de introducir contaminantes a la masa de agua subterránea a través del mismo agujero es considerablemente alto. La protección del pozo, por ejemplo, mediante la instalación de un sello sanitario apropiado (es decir, una plataforma) de material adecuado entre la carcasa permanente y el suelo circundante, es vital para un suministro de agua segura a largo plazo (SMET y WIJK 2002). Las medidas de protección adicionales, como el techo y la cerca, son fáciles de instalar y, además, muy efectivas para mantener la calidad del agua adecuada. Cuando se dude de la calidad del agua, se tiene que asegurar un tratamiento del agua, ya sea a nivel comunitario o en el hogar. Si las formaciones rocosas que contienen arsénico están presentes, los procesos de disolución pueden conducir a la contaminación natural con arsénico cuando el agua está expuesta al oxígeno en la superficie, lo que hace necesarias las tecnologías de eliminación de arsénico. Aunque los pozos perforados son menos susceptibles a la contaminación del agua subterránea en comparación con los pozos excavados, la construcción adecuada y la protección del pozo son vitales para optimizar un sistema local de gestión del agua a largo plazo. Se debe prestar especial atención a la tasa de extracción ya que pueden producirse efectos medioambientales y la intrusión de agua salada (solo en las zonas costeras). Si el calado es demasiado alto, los pozos pueden incluso secarse.

Operación y mantenimiento

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La operación de pozos perforados comprende el bombeo y la limpieza del área circundante, por lo que los miembros de la comunidad los pueden operar fácilmente por sí mismos. Sin embargo, también se incluye el mantenimiento de la bomba mecanizada o por fuerza humana, lo que requiere más habilidades y experiencia. Si la bomba no funciona, la extracción de agua es imposible. En cuanto a todas las fuentes de agua subterránea, la protección es vital para mantener la calidad del agua y, por lo tanto, es una parte integral de cualquier plan de mantenimiento.

Referencias

Drilled Wells

BALL, P. (2001): Drilled Wells. St. Gallen (Switzerland): Series of Manuals on Drinking Water Supply, Vol. 6, Swiss Centre for Development Cooperation in Technology and Management (SKAT). URL [Visita: 29.08.2018] PDF

Hand-dug Shallow Wells

COLLINS, S. (2000): Hand-dug Shallow Wells. Series of Manuals on Drinking Water Supply, Vol. 5. St. Gallen (Switzerland): Swiss Centre for Development Cooperation in Technology and Management (SKAT). URL [Visita: 29.08.2018] PDF

Simple drilling methods-Brief 43

ELSON, B. and SHAW, R. (1999): Simple drilling methods-Brief 43. En: SHOW, R. (editor). Running Water, More Technical Briefs on Health, Water and Sanitation. Nottingham (UK): Water, Engineering and Development Centre (WEDC)/ Intermediate Technology (IT) Publications, pp.41-44. URL [Visita: 29.08.2018] PDF
Lecturas complementarias

Manual de perforación - Manual de pozos y equipamiento con bombas manuales

Manual en español con temas referidos a pozos de abastecimiento de agua, equipo de perforación manual y bombas de agua, que dan los conocimientos necesarios a las personas que están involucradas en la explotación de aguas subterráneas mediante la perforación de pozos y bombeo por fuerza humana.

BELLIDO, A. (2004): Manual de perforación - Manual de pozos y equipamiento con bombas manuales. Lima (Perú): Organización Panamericana de la Salud (OPS). URL [Visita: 29.08.2018] PDF

Pozos de Agua - Manual de operación y mantenimiento

Manual en español y con ilustraciones sobre la tecnología de perforación manual de pozos profundos de pequeño diámetro orientada a los grupos de escasos recursos y que viven en regiones aisladas, permitiéndoles acceder a los recursos hídricos subterráneos de una manera simple y económica.

CRS/UNICEF (s.f.): Pozos de Agua - Manual de operación y mantenimiento. Beni (Bolivia): Catholic Relief Services (CRS) - United Nations International Children's Emergency Fund (UNICEF). URL [Visita: 29.08.2018] PDF

Tecnologías apropiadas para el suministro de agua en situaciones de emergencia

Documento en español que, en el capítulo 3, explica detalladamente lo concerniente a la perforación manual de pozos profundos de pequeño diámetro, con información sobre etapas de la construcción de pozos, equipos a utilizar, técnicas de perforaciones, bombas manuales, protección y mantenimiento de pozos y equipos, etc. 

SÁNCHEZ, P. y CASAS, H. (2010): Tecnologías apropiadas para el suministro de agua en situaciones de emergencia . Nariño (Colombia): Organización Panamericana de la Salud (OPS). URL [Visita: 29.08.2018] PDF

Manual de pozos rasos. Teoría-diseño y construcción de pozos rasos, instalación-operación y mantenimiento de bombas de mano y molinos de viento

Manual en español que detalla todas las etapas que forman parte de la explotación, sencilla y económica, de las aguas subterráneas en el sector rural de países en desarrollo, mediante pozos rasos o poco profundos. Es un material bibliográfico que funciona como herramienta de trabajo dirigido a personal para-profesional, interesado en conocer más sobre aguas subterráneas, construcción de pozos, sistemas simples de bombeo e instalación, operación y mantenimiento de bombas manuales y molinos de viento.

CHICO, J. (1977): Manual de pozos rasos. Teoría-diseño y construcción de pozos rasos, instalación-operación y mantenimiento de bombas de mano y molinos de viento. Washington D.C. (USA): Organización Panamericana de la Salud (OPS). URL [Visita: 29.08.2018] PDF

Well Construction

Documento en inglés que detalla el proceso de la construcción de un pozo mediante la perforación por percusión; se incluye información detallada sobre los elementos que deben colocarse antes de poner en funcionamiento el pozo, como por ejemplo: el empaque de grava y la rejilla del pozo, así como también la prueba de bombeo y la desinfección que debe realizarse un vez finalizado el pozo.

MRWA (2009): Well Construction. Minnesota Water Works Operations Manual, chapter 6. Minnesota (USA): Minnesota Rural Water Association (MRWA), 4th edition. URL [Visita: 29.08.2018] PDF

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