8. PROTECCIÓN DE LAS CAPTACIONES DE ABASTECIMIENTO...

8. PROTECCIÓN DE LAS CAPTACIONES DE ABASTECIMIENTO URBANO EN MEDIOS FISURADOS. MÉTODOS Y CONSIDERACIONES ESPECÍFICAS

8.1. Metodología para la protección de captaciones en medios fisurados aplicada en Suiza

8.1.1. Características de los medios

fisurados

8.1.2. Metodología para la delimitación de las zonas de protección en medio fisurado

8.1.3. Delimitación de zonas de protección en acuíferos fisurados asimilables a medios continuos equivalentes

8.1.4. Método de cartografía multicriterio "DISCO". Delimitación de las zonas de protección en acuíferos fisurados fuertemente heterogéneos

8.2. Metodología para la delimitación de

perímetros de protección en medios fracturados basada en la definición de contornos de probabilidad para determinar el riesgo de impacto al medio ambiente

8.3. Método de Bolsenkötter

8. PROTECCIÓN DE LAS CAPTACIONESDE ABASTECIMIENTO URBANO ENMEDIOS FISURADOS. MÉTODOS YCONSIDERACIONES ESPECÍFICAS

La delimitación de perímetros de protección enmedios fracturados requiere en primer lugar evaluarsi el medio se comporta hidráulicamente de unmodo asimilable a un acuífero con porosidad inter-granular a la escala de los perímetros de protección(con flujo laminar, homogeneidad del medio, aplica-bilidad de la ley de Darcy a la escala del problemaentre otros factores). Si es asimilable se aplicará lamisma metodología y zonación definidas para losperímetros de protección en el capítulo 6. En el casode no poder asimilarlo es necesario efectuar unametodología específica que contemple adecuada-mente aspectos como heterogeneidad, anisotropía,flujo rápido y turbulento, las limitaciones respecto ala aplicabilidad de la ley de Darcy por el régimen tur-bulento y sus repercusiones en la zonación corres-pondiente.

En la figura 69 se esquematizan algunos aspectosque deben contemplarse en la delimitación de perí-metros de protección en medios fisurados que impli-can modificación en las líneas de flujo respecto a lasque se producirían en un medio con porosidad inter-granular o asimilable al mismo.

En los acuíferos fracturados la conductividad hidráu-lica y la velocidad del agua pueden diferir en variosórdenes de magnitud dependiendo de la dirección,ya que pueden ser medios altamente anisotrópicosen tres dimensiones. En la figura 70 A se ilustra elefecto de esta anisotropía en un acuífero, que podríaprovocar un flujo cuya dirección no fuese perpendi-cular a las isopiezas, sino con un cierto ángulo res-pecto a éstas y su lógica repercusión en la zona dealimentación de las captaciones. Por su parte en lafigura 70 B se muestra como la existencia de fractu-ras verticales pueden “cortocircuitar” sistemas deflujo regionales.

Para determinar si un medio fracturado se comportacomo un medio con porosidad intergranular hay queanalizar los siguientes aspectos (USEPA, 1991 a):

1. Interpretación de ensayos de bombeo.

Los tres aspectos a evaluar son:

– Los descensos en los pozos de observación quese incrementan linealmente con aumentos en elcaudal en el pozo de bombeo son característicosde medios equivalentes a acuíferos con porosi-dad intergranular, no comportándose así enmedios fracturados no asimilables (Figura 71 A).

Hickey, 1984, en USEPA, 1991 a, propone efec-tuar ensayos de bombeo escalonados de 1 horade duración con incrementos sucesivos del cau-dal para obtener la gráfica que permita evaluareste factor.

– La gráfica de descensos respecto al tiempo depozos para diferentes caudales presentaránforma “de curva continua” sin inflexiones en losmedios asimilables a porosidad intergranular, enlugar de las inflexiones características de losmedios no equivalentes (Figura 71 B).

– Las isolíneas que definen el cono de bombeo,obtenidas empleando diversos pozos de observa-ción, son circulares o elípticas en medios equiva-lentes a acuíferos con porosidad intergranular,mientras que los conos de bombeo lineales omuy irregulares indican lo contrario (Figura 71 C).

2. Superficie del nivel piezométrico.

En los acuíferos fracturados asimilables a medioscon porosidad intergranular las isopiezas soncontinuas y de formas suavizadas, sin áreas concambios rápidos de nivel o niveles anómalos.

Por el contrario las formas escalonadas son carac-terísticas de medios con fracturas espaciadas, congrandes contrastes en los valores de conductivi-dad hidráulica entre bloques y fracturas, no sien-do asimilables a acuíferos con porosidad inter-granular.

Hay que reseñar no obstante que aunque si exis-ten esos escalonamientos indica claramente que

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Perímetros de protección para captaciones de agua subterránea destinada al consumo humano. Metodología y aplicación al territorioIGME. Serie: HIDROGEOLOGÍA Y AGUAS SUBTERRÁNEAS. ISBN: 84-7840-496-1

no es aceptable su asimilación la existencia deisopiezas suavizadas no prueba que se comportecomo medio con porosidad intergranular, ya quepara la detección de esas irregularidades en las

isopiezas podría ser necesario un espaciado entrepozos de observación menor, lo cual no es posi-ble en muchas áreas en que se deben delimitarperímetros de protección.

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Perímetros de protección para captaciones de agua subterránea destinada al consumo humano. Metodología y aplicación al territorio

Figura 69: Esquema del área de alimentación y de influencia correspondiente a la delimitación de perímetros de protección en medios fisurados.

Es importante además efectuar un análisis de losgradientes hidráulicos verticales ya que en siste-mas fuertemente fracturados es muy frecuenteque el nivel piezométrico varíe significativamentecon la profundidad, debiéndose registrar a lolargo del tiempo en diferentes estaciones paradetectar cambios.

3. Proporción de la fracturación respecto a la escaladel perímetro.

Para los acuíferos equivalentes a medios conporosidad intergranular las fracturas verticales yhorizontales observables deben ser numerosas yla escala de la fracturación mucho menor que lacorrespondiente al ámbito del perímetro de pro-tección. Como primera aproximación la dimen-sión mínima del perímetro de protección deberíaser al menos cien veces la correspondiente alespaciado medio de la fractura.

4. Distribución de la conductividad hidráulica.

En medios asimilables a porosidad intergranular ladistribución de la conductividad hidráulica deberíaser aproximadamente log normal, mientras que enaquellos medios donde su distribución sea fuerte-mente bimodal no será posible asimilarlos.

5. Variaciones en la hidrogeoquímica.

En acuíferos fracturados no asimilables a medioscon porosidad intergranular pueden existir gran-des variaciones de un punto a otro del acuífero,así como en el tiempo.

El agua que se mueve por conductos normal-mente tiene menos tiempo de contacto conmineralizaciones y un total de sólidos disueltosmenor, así como un índice de saturación mineralmás bajo que la que circula en acuíferos conporosidad intergranular con mineralogía similar.

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Protección de las captaciones de abastecimiento urbano en medios fisurados. Métodos y consideraciones específicas

Figura 70: Efecto de las fracturas en el movimiento del agua.

En acuíferos asimilables a porosidad intergranulartiene normalmente valores de temperatura y decomposición química relativamente uniforme enel tiempo y en diferentes lugares del acuíferocomo se indica en la figura 72.

Los valores altos de turbidez y de bacterias sonmás frecuentes en acuíferos con flujo por con-ductos. Si un pozo de bombeo nunca tiene valo-res significativos de turbidez ni de bacterias pro-bablemente no está conectado a conductosimportantes.

Por lo que respecta al establecimiento de zonas oconsideraciones específicas para la delimitación deperímetros de protección en medios fisurados deberesaltarse que en los diversos países analizados, vercapítulo 2, solamente se contempla específicamentepara los acuíferos fisurados en Portugal y Suiza.

En Portugal las dimensiones de las zonas en que sesubdividen los perímetros de protección dependende las características del acuífero, contemplandoexpresamente los medios “ígneos y metamórficosfisurados”, a los que corresponden mayores dimen-

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Figura 71: Respuestas de los ensayos de bombeo en medios asimilables o no asimilables a acuíferos conporosidad intergranular. A. Gráficos caudal/descenso. B. Curvas tiempo/descenso. C. Distribu-ción areal del descenso.

siones que a los acuíferos libres en diferentes mate-riales y que a los acuíferos confinados, así como los“ígneos y metamórficos poco fisurados o alterados”,considerando además el establecimiento de zonasespeciales con conexión hidráulica directa a travésde conductos kársticos o fracturas en el acuífero.

En Suiza se subdividen los perímetros de protecciónen acuíferos fisurados en tres zonas, como en losotros tipos de acuíferos, pero se consideran entreotros factores el desarrollo de la red de conductos yfisuras para la estimación de la vulnerabilidad que

define la extensión de las zonas S2 y S3, contempla-das al subdividir los perímetros de protección en sulegislación, de un modo semejante a lo consideradopara los acuíferos kársticos, pero empleando meto-dologías e índices de vulnerabilidad específicos ydiferentes en ambos casos.

En otros países se les da el mismo tratamiento que alos acuíferos kársticos. Así por ejemplo en Holandase contempla para éstos únicamente dos zonas,agrupando las denominadas área de protección I,definida para un tiempo de tránsito de 10 años y el

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Figura 72: Ejemplos de variaciones hidroquímicas y de temperatura con el tiempo en acuí-feros con flujo difuso y flujo por conductos.

área de protección II, con un tiempo de tránsito de25 años, en una única zona (cuadro 5), con restric-ciones similares a las aplicables en ésta última.

En el caso de Alemania se les otorga el mismo trata-miento que a los kársticos siempre que el medio fisu-rado pueda considerarse como “asimilable a kársti-co”, con definición de zonas de mayor tamaño (cua-dro 1).

En Francia pueden considerarse sus peculiaridadesmediante la delimitación de perímetros satélite.

Además en varios de los países cuya normativa yestrategia de protección del recurso ha sido analiza-da en el capítulo 2 se considera para la delimitaciónde perímetros de protección diferentes métodos deanálisis de la vulnerabilidad del acuífero adecuadas alas características de estos acuíferos, como es el casode Irlanda además del ya mencionado anteriormen-te de Suiza.

En Estados Unidos, si bien no está definido el esta-blecimiento de zonas específicas para delimitar perí-metros de protección en acuíferos fisurados, se handesarrollado análisis metodológicos que contemplanparticularidades en su protección (USEPA, 1991 a),con especial incidencia en la determinación de enqué casos puede considerarse que un acuífero frac-turado se comporta como un medio con porosidadintergranular, cuya síntesis ha sido incluida al iniciode este capítulo.

En el caso de España no existen consideracionesespecíficas para la delimitación de perímetros deprotección en acuíferos fisurados en la legislaciónaplicable, aunque han sido recogidos en diversostrabajos, dándoles un tratamiento semejante al pro-puesto para acuíferos kársticos (Moreno Merino etal., 1991).

A continuación se analizará en detalle la metodolo-gía desarrollada en Suiza para delimitación de perí-metros de protección en captaciones en medios fisu-rados (Apartado 8.1), así como la síntesis de unametodología para delimitación de perímetros de pro-tección en dichos medios basada en la definición decontornos de probabilidad (Apartado 8.2).

8.1. Metodología para la protecciónde captaciones en mediosfisurados aplicada en Suiza

La metodología para la delimitación de perímetrosde protección aplicada en Suiza considera que no esadecuado de manera general el asimilar el acuíferofisurado a un medio continuo equivalente, ya que en

los acuíferos fisurados, entre otros aspectos antesreseñados, las velocidades de flujo son heterogéne-as, por lo que el dimensionamiento de las zonas enque se subdividen los perímetros de protección enbase a las velocidades de flujo y por tanto el tiemponecesario para que el agua subterránea alcance lacaptación (empleado habitualmente en medios conporosidad intergranular o asimilables en su funcio-namiento a los mismos) no es apropiado.

Por su parte el método EPIK (analizado en el aparta-do 7.2.), desarrollado para zonas de protección enmedio kárstico, no es tampoco aplicable a mediosfisurados no kársticos.

La gran importancia que tienen en numerosas regio-nes en Suiza los acuíferos fisurados en el suministrode agua potable para abastecimiento a la poblacióny las particularidades de su protección, contempla-das en la legislación de dicho país, como se analizóen el capítulo 2, que prevé que el dimensionamien-to de zonas de protección se realice en base a la vul-nerabilidad de la cuenca de alimentación de la cap-tación, motivaron el desarrollo del método DISCO(Office Fédéral de l´Enviromenent, des Forêts et duPaysage, OFEFP, 2002) específico para la delimitaciónde zonas de protección en acuíferos fisurados.

El desarrollo de la metodología, diseñada de maneraespecífica para casos de captación de manantiales (alser en Suiza poco frecuentes los sondeos), se ha lle-vado a cabo por el Centro de Hidrogeología de laUniversidad de Neuchâtel en colaboración con laSociedad Suiza de Hidrogeología y los servicios espe-cializados de la Confederación Helvética. Incluye uninventario de las observaciones necesarias para lacaracterización del funcionamiento de los acuíferosfisurados y una descripción de los métodos para deli-mitar las zonas de protección en los diferentes casosposibles como se analiza en los siguientes apartados.

8.1.1. Características de los medios fisurados

El modelo conceptual contemplado para analizar elfuncionamiento de estos acuíferos es el siguiente:

– Presencia de una red de discontinuidades principa-les caracterizadas por conductividades hidráulicaselevadas. Tienen una función predominante deconducción. Sirven de drenes y alimentan las prin-cipales zonas de salida del agua.

– Resto del macizo, considerado relativamentehomogéneo. Caracterizado por una porosidadintersticial o de fisuración débil que se traduce enuna conductividad hidráulica mucho más baja quela anterior.

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– La recarga del acuífero se efectúa a nivel de las dis-continuidades principales y de las rocas menospermeables.

– El agua captada en el área de salida es una mezclade agua joven (ligada a una red de estructuras per-meables conectadas con la captación) y de aguade más edad (ligada a la alimentación de áreasmenos permeables, lentamente drenada por lasdiscontinuidades principales).

Los principales factores determinantes del funciona-miento de los acuíferos fisurados son:

Litología

– Presencia o no de planos de estratificación oesquistosidad (flujo a través de los límites de lospaquetes).

– Presencia o no de una porosidad matricial (mediosde doble porosidad).

– Mayor o menor presencia de minerales solubles uoxidables, junto con la mayor o menor consolida-ción de la roca (aumento de la posible abertura delas discontinuidades por disolución o erosión).

– Tipo de comportamiento mecánico de la roca: rígi-do y frágil o plástico (fracturación más o menosdesarrollada y clivaje más o menos acentuado paradiferentes rocas bajo una misma tectónica).

Tectónica

– Contexto tectónico (intensidad de la deformación,distribución de las discontinuidades, deformacióndúctil/frágil).

Relieve

– Distribución de potenciales hidráulicos en el acuí-fero. En zonas de relieve abrupto son frecuentesgradientes particularmente altos que implicanvelocidades de flujo elevadas.

– Fenómenos de disolución y/o erosión mecánica.Estos fenómenos pueden llevar a un aumento delas conductividades hidráulicas a lo largo de lasfisuras, particularmente en las direcciones de losgradientes hidráulicos.

– Ruptura y apertura de las redes de fracturas por lasfuerzas gravitatorias. Pueden provocar un aumen-to de las conductividades hidráulicas en las prime-ras decenas de metros desde la superficie (hastacientos de metros quizás).

Otros parámetros que tienen también influencia enel funcionamiento de los acuíferos fisurados son:

Influencia de las glaciaciones

– Presencia de depósitos fluvio-glaciales superpues-tos al acuífero fisurado.

– Exfoliación (abertura de discontinuidades debida adescompresiones post-glaciares).

Relación con las aguas superficiales

– Alimentación directa de ciertas fisuras y posibilidadde su puesta en carga.

La explotación de los acuíferos en la zona donde seha desarrollado el método propuesto (Plataformasuiza, Alpes y Prealpes) se hace mediante la capta-ción de surgencias naturales mediante galerías y másraramente sondeos. Por este motivo en el desarrollometodológico propuesto se hace hincapié en losmanantiales y galerías sin abordarse específicamentelas metodologías para sondeos.

La mayoría de los acuíferos fisurados explotados enSuiza se encuentran en zonas accidentadas, estandolos riesgos de contaminación generalmente ligados ala ganadería, la agricultura de montaña y el turismo(básicamente contaminación biológica), aunque lainfiltración de otras sustancias (como los hidrocarbu-ros) representan también un factor de riesgo impor-tante. En las zonas poco accidentadas los productosagrícolas e industriales representan también un peli-gro adicional.

En las captaciones de manantiales y galerías no sepueden obtener los parámetros mediante un ensayode bombeo. Por esto es indispensable estudiar laestructura del acuífero y el comportamiento hidroló-gico de la captación (caudal y parámetros físico-quí-micos).

8.1.2. Metodología para la delimitación de laszonas de protección en medio fisurado

El estudio de numerosos acuíferos fisurados ha mos-trado la existencia de funcionamientos hidrogeológi-cos muy dispares, por lo que no se puede proponerun único método para la delimitación de las zonasde protección. Una aproximación como la indicadaen la figura 73 permite elegir el método más ade-cuado en base al análisis del funcionamiento hidro-geológico del área estudiada.

La metodología se desarrolla en tres etapas según lacomplejidad del caso a tratar:

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– Toma de datos de base: análisis de la variación delcaudal, temperatura y conductividad, definicióndel contexto hidrogeológico, límites de la cuencade alimentación, características de la captación,vulnerabilidad y riesgos de contaminación de lamisma.

– A continuación (para captaciones vulnerables)toma de datos complementarios para evaluar laheterogeneidad del acuífero (zonas de infiltraciónpreferente, características de las discontinuidades,evolución de caudal, temperatura y conductividaden crecidas, así como ensayos de trazadores).

– Delimitación de las zonas de protección según elmétodo adecuado.

8.1.2.1. Toma de datos de base. Evaluación dela vulnerabilidad de la captación

Sobre la base de los datos existentes y de informa-ciones complementarias se deben analizar lossiguientes aspectos:

– Descripción de la situación, tipo y estado de laobra de captación.

– Caracterización del contexto geológico e hidroge-ológico.

Distribución de las propiedades hidráulicas genera-les de las diferentes formaciones.

Inventario de las principales familias de disconti-nuidades a escala local (fracturas en afloramiento)y regional.

– Determinación de los límites de la cuenca de ali-mentación de la captación.

La determinación de la extensión de una cuencade alimentación mediante el cálculo del balanceanual se efectúa en cuatro etapas:

1. Determinación de la infiltración eficaz (I), enbase a la estimación de la precipitación (P),evapotranspiración (ETP) y escorrentía (R):

2. Estimación del caudal anual de la captación(Qanual).

3. Cálculo de la superficie aproximada de lasuperficie de la cuenca de alimentación:

4. Ajuste de los límites de la cuenca en función delas condiciones hidrogeológicas locales, anali-zando los datos existentes de ensayos de traza-dores y considerando los siguientes aspectos:Topografía. Contraste de la superficie determi-

nada por el balance anual con la cuenca ver-tiente hidrológica.

Estructura geológica. Toma en consideraciónde la estructura geológica que determina laextensión de la cuenca hidrogeológica.

Presencia de otras surgencias. El incluir las sur-gencias situadas próximas a la captación per-mite:

• Fijar mejor los límites laterales, estimandogroseramente la extensión de las cuencas dealimentación contiguas.

• Considerar los manantiales de aguas pocoprofundas que drenan el agua fuera de lacuenca de alimentación.

Contribución a sistemas de flujo más profun-dos. Parte del agua infiltrada en la cuenca dealimentación puede contribuir a alimentar sis-temas de flujo más profundos si bien es difícilde cuantificar. Esto implica una subestimaciónde la superficie de la cuenca de alimentacióncalculada empleando el balance anual.

– Inventario de focos de contaminación, existentes ypotenciales, en la cuenca de alimentación.

– Caracterización global de la vulnerabilidad de lacaptación. Se efectúa analizando los siguientesaspectos:

1.Caudal (Q), temperatura (T) y conductividad (C).

El comportamiento hidrogeológico de la capta-ción debe ser evaluado en base a un númerosuficiente de medidas de Q, C y T (al menosdiez) en un año hidrológico, con más medidasen periodos de fuertes precipitaciones (superio-res a 15 ó 20 mm).

Su distribución en un año hidrológico permitepor otra parte estimar el caudal medio y medirlas fluctuaciones estacionales.

La reacción de una captación es fuertementedependiente de las condiciones previas dehumedad del suelo. Después de un largo perio-do seco las precipitaciones fuertes se puedentraducir en una reacción muy débil del nivel dela captación, debido al déficit de agua. Igual-mente lluvias similares en periodos húmedospueden influenciar fuertemente los caudales,temperaturas y conductividades. Es indispensa-ble tener medidas de un periodo de recargasignificativo y garantizar la calidad y representa-tividad de las medidas, considerando para ellolos siguientes aspectos:

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Figura 73: Metodología para la delimitación de zonas de protección en medio fisurado.

• Especificar el lugar de medida (captación,colector, depósito) y sus características. Sonrecomendables las medidas propias y cerca dela zona de surgencia.

• Describir el método de determinación del cau-dal y una estimación de la incertidumbre aso-ciada.

• En las medidas de conductividad se debenindicar las características del equipo empleadoy este debe ser calibrado.

• Es imprescindible una breve descripción de lascondiciones meteorológicas del día de mues-treo y los días precedentes.

• Se debe evaluar la fiabilidad de los datos,especialmente en el caso de que sean anti-guos.

Las medidas de caudal, conductividad y tempe-ratura se deben representar en gráficos quecontemplen también la pluviometría para facili-tar su interpretación.

2. Calidad del agua

Se deben hacer un mínimo de tres medidas bac-teriológicas para delimitar las zonas de protec-ción. Las muestras deben tomarse en periodosen que los riesgos en la cuenca de alimentaciónsean altos (presencia de ganado, turismo) ytener en cuenta las condiciones meteorológicas(la probabilidad de contaminación biológica esmayor tras grandes lluvias).

El número y parámetros para analizar en losanálisis químicos a efectuar depende en granmedida de las características de los focos decontaminación existentes. Así por ejemplo sihay agricultura intensiva se necesitan muchosanálisis, sobre todo de nitratos y pesticidas. Enzonas en las que la actividad agrícola se limita ala cría de ganado pueden ser suficientes dosanálisis químicos de los iones mayoritarios,nitrato amonio y demanda de oxígeno.

Las medidas de turbidez pueden poner en evi-dencia la presencia de problemas siendo reco-mendable efectuar medidas específicas enperiodos de crecida.

El análisis de los factores indicados permite divi-dir las captaciones (ver figura 73) en dos gru-pos:

• Grupo a: poco vulnerables

Se caracterizan por la estabilidad del caudal,de la conductividad y de la temperatura,incluso en caso de fuertes precipitaciones, laausencia de problemas de calidad y la estabi-lidad de sus parámetros químicos. Esto permi-te concluir que las velocidades de flujo sonlentas y los tiempos de residencia en el acuí-fero son altos. Las aguas permanecen el tiem-po suficiente en el acuífero para depurarseantes de ser captadas.

Estos medios tienen una buena protecciónnatural contra impactos naturales y antrópi-cos en la cuenca de alimentación, por lo queno se necesitan datos suplementarios paraanalizar su protección. Se pueden asimilar aun medio con porosidad intergranular paradelimitar las zonas.

• Grupo b: vulnerables

Presentan fluctuación marcada de los cauda-les, conductividades y temperaturas en loscasos de fuertes precipitaciones. Ésta se aso-

cia además a una degradación de la calidaddesde el punto de vista bacteriológico y de laturbidez.Están particularmente expuestas a la contami-nación ya que una alta proporción de lasaguas infiltradas transita rápido hacia la cap-tación sin tiempo de ser filtrada y depuradade manera natural.

Los datos complementarios son imprescindi-bles para determinar qué partes de la cuencade alimentación abastecen a la captaciónmediante circulación rápida y para evaluar elgrado de heterogeneidad del acuífero.

Es necesario además considerar casos particula-res entre los que cabe destacar los siguientes:

• Efecto pistón.

Un aumento rápido y neto de los caudales noestá ligado de manera sistemática a la llegadade agua recientemente infiltrada, caracteriza-da por conductividades débiles. En el caso deun efecto pistón, el aumento de las cargashidráulicas debido a lluvias abundantes movili-za aguas antiguas hacia la captación y portanto el aumento de caudal no se acompañade una bajada de las conductividades. General-mente este efecto sí es seguido de una llegadade agua poco mineralizada (captación vulnera-ble). Según la estructura del acuífero puedesuceder que sólo aguas antiguas contribuyan ala crecida (captación poco vulnerable).

• Captaciones vulnerables con débiles variacio-nes de caudal.

Se puede producir un aumento limitado decaudal acompañado de una degradación dela calidad del agua por:

– Existencia de un “trop-plein” o una zona deresurgencia temporal en periodos de aguasaltas, en cuyo caso las variaciones de tem-peratura, calidad y conductividad son sensi-bles.

– Infiltración de una pequeña cantidad deagua de mala calidad a poca distancia de lacaptación. Se pueden mantener el caudal,la conductividad y la temperatura perodegradarse la calidad del agua.

8.1.2.2. Adquisición de datos complementariospara las captaciones vulnerables. Eva-luación del grado de heterogeneidaddel acuífero

Se analizan los siguientes aspectos:

– Investigación de las zonas de infiltración preferente

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1.Análisis de la geología y la geomorfología delterreno.

2.Reconocimiento detallado del terreno coinci-diendo con momentos de fuertes precipitacio-nes o nevadas (fenómenos de escorrentía ypuntos de infiltración preferente).

3.Caracterización de la red hidrográfica (tramosfluviales con pérdidas).

– Características de las discontinuidades

Análisis de las fracturas en afloramiento (si es posi-ble en galerías), evaluación de las características delos sistemas de discontinuidades (orientación, fre-cuencia, extensión, abertura, disolución, colmata-ción).

– Control de la variación de los parámetros caudaltemperatura y conductividad en los eventos de cre-cida. Caracterización de los acuíferos por medio dehidrogramas.

El seguimiento de las variaciones de caudal, con-ductividad, temperatura y turbidez durante unacrecida permite analizar las características del acuí-fero y su vulnerabilidad. Se han desarrollado dife-rentes métodos para evaluar la respuesta de losacuíferos kársticos, su estructura y funcionamien-to. En medios fisurados se han hecho pocos traba-jos, pero algunos de los métodos aplicados a losacuíferos kársticos pueden ser también válidospara estos.

1. Descomposición de un hidrograma en diversasfases

Se presenta a modo de ejemplo el esquemaincluido en la figura 74. El aspecto de las dife-rentes curvas cambia de un acuífero o de unmanantial a otro y según las condiciones hidroló-gicas . El efecto pistón (fases 1 y 2) no siempre seda. Las condiciones previas de humedad, lascaracterísticas de las precipitaciones influyentambién en el hidrograma.

• Fases 1 y 2, efecto pistón: El aumento de loscaudales no se acompaña de un cambio en losvalores de la conductividad. El agua reciente-mente infiltrada no llega aún a la salida. Laestabilidad de la temperatura y la turbidez con-firma esta hipótesis. El agua antigua almacena-da en el acuífero es movilizada hacia la salidapor el aumento de la carga hidráulica. En la 1ªfase las características del agua se mantienencomparables a las del caudal de base previo. Enla 2ª fase se observa un aumento de las con-ductividades, ligado a la movilización de aguasmás mineralizadas de las zonas saturada y nosaturada.

• Fase 3, las aguas recientemente infiltradas lle-gan a la salida: Se traduce por un pico negati-vo de la conductividad, una modificación de lastemperaturas (positiva o negativa) así como unfuerte aumento de la turbidez. Las aguas infil-tradas directamente en zonas de alta conducti-

Figura 74: Descomposición de un hidrograma en diversas fases.

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vidad hidráulica conectadas con la captaciónllegan rápidamente.

• Fase 4, la proporción de agua infiltrada recien-temente disminuye progresivamente: Las aguasinfiltradas durante la crecida contribuyen enescasa proporción al caudal y sus característicasquímicas y térmicas se diferencian cada vezmenos de las aguas antiguas por el contactoprolongado con el acuífero. Esta fase puede serasimilada al caudal de base.

2. Descomposición de hidrogramas según el méto-do de Maillet (1905)

La representación de la curva de recesión de unmanantial con una escala semilogarítmica gene-ralmente puede ser descompuesta en varios seg-mentos rectos. La curva de recesión correspondea la sucesión de varias funciones exponenciales(Figura 75). Cada función exponencial se puedeasimilar a un reservorio que se vacía más o menosrápido, caracterizado por una conductividadhidráulica más o menos elevada.

Los caudales iniciales de los reservorios conside-rados, marcados por Q0i, los coeficientes de des-censo α i (pendiente de las rectas) y los tiempos ti,correspondientes a la intersección de los seg-mentos, pueden ser calculados y permiten carac-terizar los diferentes reservorios.

Este método permite la evaluación de la hetero-geneidad del acuífero (a mayor diferencia de loscoeficientes α mayor heterogeneidad de los acuí-feros).Los volúmenes que fluyen durante la decrecida,correspondientes a la superficie de los triángulosrepresentados en la figura también se puedencalcular. Comparando éstos con una estimacióngrosera de los volúmenes infiltrados en la crecida(superficie de la cuenca de alimentación x preci-pitación eficaz) se puede calcular el porcentaje deaporte rápido. Cuanto más elevado sea éste ymás rápido sea el vaciado de los reservorios másvulnerable se considerará el acuífero.

Figura 75: Ejemplo de un hidrograma en el que una curva de recesiónpuede ser descompuesta en tres funciones exponenciales.

– Ensayos de trazadores.

Permiten evaluar la velocidad de tránsito en elacuífero y verificar las hipótesis sobre las zonasde infiltración preferencial y la heterogeneidaddel acuífero.

Al efectuar ensayos de trazadores en mediofisurado es conveniente contemplar los siguien-tes aspectos:

1. Lugar de inyección

En algunos casos, según el tipo de roca fisu-rada y su heterogeneidad, los resultados delos ensayos de trazado son altamentedependientes del punto de inyección. Esconveniente considerar los siguientes facto-res:

– Elección de una zona potencialmente per-meable en base a criterios geomorfológi-cos, geológicos o geofísicos.

– Utilización de una superficie de inyecciónbastante extensa para optimizar las posi-bilidades de infiltración en las fracturascon conductividad hidráulica elevada.

– Realización de ensayos de infiltración enel lugar de inyección para asegurar que lazona elegida es suficientemente permea-ble.

2. Utilización de varios trazadores

El uso simultáneo de dos o tres trazadoresdiferentes permite aumentar las posibilidadesde resultado positivo y facilita un mejor cono-cimiento de la organización de los flujos.

3. Condiciones hidrológicas

Las velocidades de flujo son menos elevadasen periodos de aguas bajas que en periodosde aguas altas. Es recomendable para deter-minar las velocidades de flujo la inyecciónde los trazadores en periodo de aguas rela-tivamente altas cuando las condiciones sondesfavorables para la calidad de las aguas.

4. Cantidad de trazador a inyectar

La recuperación de los trazadores en losmedios fisurados es a menudo muy mala(porcentaje pequeño) y los picos se puedenprolongar durante un largo periodo (variassemanas) debido a una importante disper-sión. Es por tanto importante inyectar unacantidad suficiente de trazador. Para un

mismo caudal que en medio kárstico o conporosidad intergranular se debe usar unvolumen de trazador mucho mayor (porejemplo 5 veces mayor).

5. Agua de inyección

El volumen inyectado debe ser suficientepara llevar el trazador hacia la zona satura-da, pero no debe ser excesivamente grandecon el fin de evitar la creación de gradienteshidráulicos desmesurados. Normalmenteson suficientes entre dos y tres metros cúbi-cos para garantizar una buena penetracióndel trazador en la zona saturada.

6. Muestreo

Los riesgos de contaminación durante losensayos de trazado se deben reducir almínimo.

La toma de una muestra antes del ensayode trazado es igualmente importante. Seaconseja tomar una muestra “en blanco”antes de organizar el ensayo de trazadopara medir de manera eficaz el efecto resi-dual de otros trazadores o la presencia deotra sustancia que pueda perturbar el análi-sis del trazador escogido.

La periodicidad de muestreo debe ser alta alcomienzo y posteriormente se puede irespaciando. Es indispensable un muestreocontinuo durante el primer periodo de fuer-tes precipitaciones tras la inyección del tra-zador.

8.1.2.3. Delimitación de las zonas de protecciónpara las captaciones vulnerables segúnel método adecuado al grado de hete-rogeneidad del acuífero

Sobre la base del análisis efectuado previamente,descrito en el apartado 8.1.2.2., se determina el ori-gen de las contribuciones rápidas y puede ser eva-luado el grado de heterogeneidad del acuífero. Apartir de aquí se elige el método adecuado de deli-mitación de las zonas de protección contempladasen la legislación suiza que considera, como se deta-lló en el capítulo 2, las siguientes:

• Zona S1: destinada a evitar los daños en la capta-ción y la contaminación del entorno inmediato.

• Zona S2: evita la contaminación microbiológica, lacontaminación por excavaciones o trabajos subte-rráneos y que el flujo subterráneo sea perturbadopor éstas.

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• Zona S3: garantiza suficiente espacio y tiempopara establecer medidas sanitarias en el caso deque un foco de contaminación pueda amenazar alas aguas subterráneas (por ejemplo accidentes devertido).

Se contemplan los siguientes supuestos:

– Caso b1: medio fisurado débilmente hetero-géneo a escala de la cuenca de alimentaciónde la captación.

El tiempo de tránsito aumenta a medida que sealeja de la captación. La delimitación de las zonasse hace asimilando el acuífero a un medio equiva-lente continuo, aunque pueda ser heterogéneo aescala de metros o decenas de metros. La exten-sión de las zonas S se fija igual que en medios conporosidad intergranular tomando como base laevaluación de las velocidades medias mayores enel acuífero.

– Caso b2: medio fuertemente heterogéneo aescala de la cuenca de alimentación de la cap-tación.

Una parte de los flujos va por una red de fracturaslocalmente muy permeables con posibilidades deconexiones rápidas (horas a días) entre la capta-ción y otras zonas de la cuenca de alimentación.En este caso los tiempos de tránsito no aumentannecesariamente al alejarse de la captación. No espor tanto aceptable asimilar el acuífero a un mediocontinuo equivalente. En este caso es convenienteaplicar el método de cartografía multicriterio de lavulnerabilidad “DISCO” que permite el diseño delas zonas de protección teniendo en cuenta lafuerte heterogeneidad del medio.

Para la evaluación de la heterogeneidad de los acuí-feros se tienen en cuenta los siguientes criterios:

Acuíferos débilmente heterogéneos: El tiempo detránsito a lo largo de las fracturas más permeablesaumenta de manera significativa con el alejamientode la captación.

Acuíferos fuertemente heterogéneos: El tiempo detránsito no aumenta de manera significativa en fun-ción del alejamiento. Son posibles las conexionesrápidas entre puntos de la cuenca de alimentación yla captación.

Datos que permiten diferenciar los dos tipos de acuí-feros:

Discontinuidades y zonas de infiltración preferencial:la presencia de estas zonas, la disolución y erosión a

lo largo de las fracturas o la abertura importante delos sistemas hace suponer la existencia de una red defracturas muy permeables (fuertemente heterogé-neo).

Reacción de los caudales, las conductividades y latemperatura con las crecidas: Si una salida de agua secaracteriza por una reacción rápida de los caudales yconductividades a las lluvias fuertes hace suponer laexistencia de una red de fracturas muy permeablesque se vacían rápidamente (fuertemente heterogé-neo). Si se caracterizan por una cierta inercia, variacio-nes menos intensas y decrecida relativamente lenta,se puede intuir una red de fracturas de permeabilidadmoderada y/o relativamente mal conectada con lacaptación (débilmente heterogéneo).

Ensayos de trazadores:

Interpretación de las velocidades de tránsito: se con-sidera muy heterogéneo aquel acuífero con veloci-dades del orden de 100 m/día o superiores o en elque la isocrona de 10 días se extiende más allá de lacuenca de alimentación y por tanto implica delimitaruna zona S2 desproporcionada.

Interpretación de las curvas de recuperación: si latasa de recuperación es elevada y con un pico pocodisperso temporalmente esto tiende a mostrar laexistencia de una red de fracturas de alta permeabi-lidad (altamente heterogéneo). La dispersión del picoen el tiempo puede estar relacionada con la circula-ción a lo largo de grandes estructuras de permeabi-lidad moderada o de una red de fracturas numero-sas interconectadas (débilmente heterogéneo).

8.1.3. Delimitación de zonas de protección enacuíferos fisurados asimilables a medioscontinuos equivalentes

Para su delimitación se consideran tres tipos demedios:

– Captaciones poco vulnerables (grupo a de la figu-ra 73). Los casos en que se demuestra la ausenciade reacciones rápidas ante fuertes precipitacionesy que la calidad del agua sea constante.

Se establece la extensión de las zonas S de lasiguiente manera:

• Zona S1: mínimo de 10 m en el entorno de lacaptación o aguas arriba de la obra (drenes,galerías). Si hay discontinuidades relacionadascon la captación se deben de incluir en la zonaS1. Si existen fuertes pendientes con escorrentíasuperficial la zona se debe extender lo suficientepara evitar la infiltración de contaminantes haciala captación.

• Zona S2: límite legal mínimo de 100 m con ellímite de la zona S1 aguas arriba en la direccióngeneral del flujo.

• Zona S3: La distancia con los límites de S1 debeser al menos el doble de la anterior.

– Medio débilmente heterogéneo a escala de la cuen-ca de alimentación (grupo b1 de la figura 73). Lascaptaciones presentan una reacción rápida a lasprecipitaciones fuertes (captaciones vulnerables) yel tiempo de tránsito aumenta progresivamente conla distancia a la captación. Se delimitan las zonas deprotección como en medio con porosidad intergra-nular evaluando las velocidades de tránsito en elacuífero. Si se dispone de varios ensayos de trazadose usa la velocidad más elevada.

– En los acuíferos fisurados, incluso en los asimiladosa medios con porosidad intergranular a escala dela cuenca de alimentación, los valores de conduc-tividad hidráulica pueden ser muy heterogéneos aescala métrica o decamétrica, la determinación delos gradientes hidráulicos y de la conductividadhidráulica generalmente no es posible (escasarepresentatividad de los piezómetros, dificultadpara ejecutar ensayos de bombeo). En estos casoslos trazadores se convierten en el sistema más efi-caz para evaluar la velocidad en el acuífero. Lasvelocidades, no obstante, dependen del lugar deinyección, por lo que es necesario elegir una zonade buena conductividad hidráulica y repartir el tra-zador en una zona suficientemente extensa.

Las zonas S se determinan de la siguiente manera:

• Zona S1: similar al caso precedente (grupo a).

• Zona S2: su límite corresponde a la isocrona de10 días calculada sobre la base del ensayo detrazado, con un límite mínimo legal de 100 maguas arriba de la captación.

• Zona S3: distancia entre S2 y S3 similar a la quehay entre S1 y S2.

Además de estos tres grupos indicados cabe ademásconsiderar los siguientes casos particulares:

– Donde los flujos superficiales o subterráneos (cur-sos de agua que se infiltran, escorrentía abundan-te, drenaje natural o artificial) son susceptibles defavorecer el transporte de los contaminantes hacialas zonas S1 y S2 delimitadas según esta metodo-logía se proponen las medidas siguientes:

• En presencia de escorrentía difusa o de drenajeen el interior de la cuenca hidrológica de la cap-tación se agrandarán los límites de estas zonas.

• En presencia de cursos de agua que se infiltranserá necesario proteger estos según la normaaplicada para las zonas Z (Apartado 2.10.).

• En caso de infiltración puntual de un curso deagua que contribuya a la alimentación de la cap-tación por conexiones rápidas se evaluará laposibilidad de impermeabilizar su lecho.

– Si los datos geológicos, geomorfológicos, geofísi-cos o los ensayos de trazadores indican que unacaptación está en relación directa con una o variasfacturas se deben tener en cuenta a la hora dedelimitar las zonas S1 y S2.

8.1.4. Método de cartografía multicriterio“DISCO”. Delimitación de las zonas deprotección en acuíferos fisurados fuerte-mente heterogéneos

El método “DISCO” (discontinuidades, cobertera deprotección) se aplica para medios fisurados fuerte-mente heterogéneos (caso b2 de la figura 73) enpresencia de circulaciones muy rápidas por fisuras(100 m/día ó más). En este caso los tiempos de trán-sito no aumentan de manera considerable con el ale-jamiento de la captación y es imposible asimilar elacuífero a un medio equivalente continuo e isótropo.

La realización de un elevado número de ensayos detrazadores permitiría la determinación directa de lavulnerabilidad en el conjunto de la cuenca de ali-mentación, pero al no ser en la práctica viable estaopción se considera preferible emplear algún méto-do de cartografía multicriterio de la vulnerabilidadcomo el analizado en este apartado.

El método “DISCO” se basa en una evaluación de lavulnerabilidad intrínseca. Evalúa las característicasgeológicas, hidrológicas e hidrogeológicas del medionatural, pero es independiente de la naturaleza delcontaminante. Su evaluación cartográfica, basada enla evaluación del medio natural, permite definirzonas más o menos sensibles a los impactos antrópi-cos y optimizar la gestión y protección del agua sub-terránea.

Para evaluar la vulnerabilidad intrínseca a la conta-minación considera tres parámetros:

– El parámetro “discontinuidades” tiene en conside-ración el tránsito de agua en el interior del acuífe-ro entre un punto de infiltración en la cuenca y lacaptación.

– El parámetro”cobertura de protección” considerael efecto de protección de las formaciones supra-yacentes al acuífero.

– El parámetro “escorrentía” engloba los fenómenosde flujo en la superficie previos a la infiltración.

La aplicación del método “DISCO” se desarrolla encuatro etapas (Figura 76) estas son:

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Fase 1: Evaluación de los parámetros “disconti-nuidades” y “cobertera de protección”

– Parámetro “DISCONTINUIDADES”La cartografía de este parámetro sirve para poneren evidencia los contrastes de conductividadhidráulica en el interior del acuífero y determinar silos diferentes tipos de estructuras permeablesestán en conexión rápida con la captación, paraello se emplean especialmente los ensayos de tra-zadores.

Se elabora la cartografía a escala de la cuenca dealimentación en base a los datos existentes (mapasgeológicos y geomorfológicos), observación delterreno (geología, geomorfología), estudio de lasfotos aéreas y si es necesario efectuando perfilesgeofísicos.

Las propiedades de los diferentes tipos de discon-tinuidades se pueden evaluar mediante su análisisen campo (extensión, abertura, frecuencia, orien-tación, colmatación, zonas de infiltración preferen-cial) y mediante ensayos de trazadores.

Se definen cuatro clases del parámetro “disconti-nuidades” cuyos criterios de evaluación se indicanen la tabla 63. La clase D0 corresponde al caso másvulnerable. Si se demuestra que una discontinui-dad o zona de alta permeabilidad no tiene cone-xión con la captación se asimilará a una zona depermeabilidad moderada, D2.

– Parámetro “COBERTERA DE PROTECCIÓN”

La cartografía de este parámetro tiene como fina-lidad evaluar la función protectora de los suelos yde las formaciones geológicas suprayacentes alacuífero.

Se definen tres clases de suelos (Tabla 64) en fun-ción de una estimación de su permeabilidad y de

su espesor. Esta clasificación se ha efectuadomediante las observaciones realizadas en el terre-no (ensayos de infiltración, estudio de suelos),datos reflejados en la bibliografía, (relación entrecomposición, permeabilidad y poder depuradordel suelo). Como simplificación no son tenidos enconsideración otros parámetros tales como lacobertera vegetal (campos, praderas, bosques) y elcontenido en materia orgánica de los suelos (quetienen notable influencia en la degradación de loscontaminantes orgánicos y bacteriológicos).

Cuando existen formaciones geológicas de bajapermeabilidad intercaladas entre el suelo y el acuí-fero, el índice determinado para los suelos debeser modificado para tener en cuenta el efecto pro-tector adicional de estas capas. Los sondeos per-miten determinar el espesor de la capa de suelo yevaluar sus características. La cartografía de suelosse hace en base a un número suficiente de sonde-os distribuidos por la cuenca de alimentación. Pos-teriormente estos datos puntuales son regionaliza-dos considerando entre otros aspectos el análisis

Tabla 64: Evaluación del parámetro “cobertera de protección”.

Clase Valor Criterios de evaluación

D0 0Discontinuidades y conexiones muy rápidas con lacaptación (del orden de una decena de horas) / sinfenómenos de atenuación significativos.

D1 1Discontinuidades y conexiones rápidas con la cap-tación (del orden de algún día)/ fenómenos de ate-nuación limitados.

D2 2

Conexiones relativamente lentas con la captación(del orden de una decena de días) / fenómenos deatenuación eficaces: zonas de conductividadhidráulica moderada o discontinuidades sin cone-xiones rápidas con la captación.

D3 3

Conexiones lentas con la captación (varias dece-nas de días) / fenómenos de atenuación muy efi-caces: zonas caracterizadas por conductividadeshidráulicas reducidas

Tabla 63: Evaluación del parámetro “discontinuidades”.

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geomorfológico (en el terreno y mediante fotogra-fía aérea).

Para determinar el espesor y naturaleza de las for-maciones de baja permeabilidad se emplean losestudios geológicos, geomorfológicos, la informa-ción obtenida en sondeos, los trabajos de ingenie-ría civil (excavaciones, catas) así como la testifica-ción geofísica.

Algunos ensayos de infiltración (como el ensayo deinfiltración con doble anillo de Müntz o el ensayode infiltración de Porchet con nivel variable) pue-den permitir verificar de manera puntual la perme-abilidad de la cobertera de protección.

Fase 2: Cálculo del factor de protección inter-medio, Fint

El factor de protección intermedio (Tabla 65) permi-te determinar en cada punto de la cuenca de ali-mentación la facilidad con la que un contaminantese infiltrará en el suelo hacia la captación. Un factorde protección muy débil corresponderá a una vulne-rabilidad muy elevada. Esto implica que un contami-nante que se infiltre en un punto con un factor deprotección muy débil llegará rápidamente a la capta-ción, sin que los fenómenos de atenuación (filtra-ción, auto-depuración, dilución) sean eficaces.

El cálculo del factor de protección intermedio Fint seefectúa de la siguiente manera:

en donde D es el valor del parámetro discontinuida-des y P el valor del parámetro cobertera de protec-ción.

Se considera que el parámetro D es más importanteque el factor P. Las rocas permeables pueden pre-sentar zonas de infiltración preferencial, como es elcaso de las dolinas. La existencia de vías preferencia-les en los suelos, ligadas a la presencia de madrigue-ras, raíces o frentes de desecación, producen tam-bién posibilidades de circulación rápida hacia el acuí-fero.

Fase 3: Determinación del factor de protecciónfinal, F

– Parámetro “ESCORRENTÍA”

La escorrentía de superficie (Tabla 66) puede indu-cir el desplazamiento lateral de los contaminantes,decenas de metros en el caso de escorrentía difu-sa y centenares de metros a lo largo de canales odrenes naturales (cursos de agua permanentes otemporales, arroyos, caminos). Es por tanto

Tabla 66: Determinación de la extensión de las superficies a considerar al contemplar el parámetro “escorrentía”.

Tabla 65: Valores del factor de protección intermedio (Fint = 2·D + 1·P).

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Figura 76: Delimitación de zonas de protección mediante el método de cartografía multicriterio DISCO.

imprescindible evaluar estos fenómenos al realizaruna cartografía multicriterio.

Al contrario que con los otros parámetros carto-grafiados en el conjunto de la cuenca de alimen-tación, la escorrentía sólo se considera en las zonasen las que los parámetros “discontinuidades” y“cobertura de protección” combinados ofrecen unfactor de protección intermedio que es bajo o muybajo y en presencia de una escorrentía significati-va. La cartografía de este factor permite la delimi-tación de las cuencas que alimentan las superficiesmás vulnerables.

Su aplicación implica que en las cuencas vertienteslocales vulnerables se amplia el valor del factor deprotección intermedio a estas superficies. Estenuevo valor, llamado F, reemplaza al valor del fac-tor de protección intermedio anteriormente obte-nido. Fuera de estas cuencas vertientes el valor deF será el mismo que el calculado de Fint.

Los tres factores que determinan la importancia dela escorrentía son la pendiente, la permeabilidaddel suelo y las condiciones previas de humedad.Como medida de simplificación para la cartografíade este parámetro sólo se tienen en cuenta la pen-diente y la red de drenaje superficial. Para carto-grafiar la escorrentía sobre las zonas con un factorde protección natural bajo o muy bajo, se utilizanmapas topográficos a gran escala (1:10.000 ó1:5.000) y fotografías aéreas, complementándosecon un reconocimiento detallado del terreno,sobre todo en periodos de precipitaciones fuertes.

Fase 4: Delimitación de las zonas de protección

Antes de delimitar las zonas de protección es nece-sario verificar si son fiables los datos del terreno uti-lizados para la cartografía en el conjunto de la cuen-ca de alimentación. En caso de incertidumbre con-templar la obtención de datos complementarios y sise ha realizado la cartografía con márgenes de segu-ridad. Además hay que analizar los resultados obte-nidos para el factor de protección para evaluar sucoherencia con el funcionamiento hidrodinámico dellugar, con el modelo conceptual “DISCO” y con larespuesta global del sistema.

La delimitación de las zonas de protección se realizasobre la base de una relación de equivalencia entreel valor del factor F y las zonas S (Tabla 67).

La relación de equivalencia entre los factores de pro-tección y las zonas S se ha definido sobre la base desu aplicación en estudios efectuados en diferenteszonas realizados en Suiza. En éstos los ensayos detrazadores e infiltración así como las investigacionesgeofísicas permitieron verificar la idoneidad delmétodo de determinación de los factores de protec-ción y de delimitación de las zonas S.

Los valores definidos en la tabla 67 son aplicables demanera general a las condiciones de los medios fisu-rados fuertemente heterogéneos de Suiza, debién-dose evaluar para su empleo en otras regiones siresultan adecuadas a sus características geológicas ehidrogeológicas específicas. En el caso de una cuen-ca de alimentación grande (mayor de 1 km2) y cuan-do estos mapas son complejos es muy recomendablela utilización de un Sistema de Información Geográ-fico. En cuencas de alimentación de tamaño menorde 1 km2 o en que los mapas no son tan complejospuede ser suficiente la utilización de un programa dediseño por ordenador (ej: corel draw, adobe illustra-tor), o incluso un tratamiento manual de los datos.

8.2. Metodología para la delimitaciónde perímetros de protección enmedios fracturados basada en ladefinición de contornos deprobabilidad para determinar elriesgo de impacto al medioambiente

La delimitación de perímetros de protección emple-ando modelos numéricos para medios con porosidadintergranular para determinar el área de alimenta-ción y tiempos de tránsito de partículas hasta la cap-tación, simulando la componente advectiva de sutransporte, no es adecuada para acuíferos fractura-dos. En estos medios no es posible efectuar las sim-plificaciones asumibles en acuíferos con porosidadintergranular y debido a la extrema heterogeneidadde los sistemas de fracturas cada una de éstas o de

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Tabla 67: Relación de equivalencia entre el factor final (F) y las zonas de protección de las aguas subterráneas (S).

los parámetros característicos del acuífero puedetomar un amplio rango de valores. Esta variabilidadde los parámetros ha sido considerada en numerososestudios empleando un análisis de incertidumbredeterminístico. Éste contempla variar los parámetrosdel acuífero según sus valores para definir diferenteszonas: zona de predicción de mejor estimación (loscálculos o el modelo se realizan usando el valor másprobable para cada parámetro), zona de prediccióndel peor caso (se emplea el mismo modelo utilizadopara la mejor estimación pero empleando comovalores los más conservativos posibles, de las medi-das de campo reales existentes), por último la dife-rencia entre la mejor estimación y el peor caso indi-ca la magnitud de la incertidumbre asociada.

La zona de incertidumbre obtenida mediante el pro-cedimiento determinístico no tiene ningún nivel deconfianza ligada a ella, por lo que en los acuíferosfracturados parece más adecuado efectuar un trata-miento riguroso de las incertidumbres asociadas asus características aplicando una metodología espe-cífica para obtener zonas de protección basadas enprobabilidad (Environment Agency, 2001 a y 2001b). Para ilustrar ésta se sintetizará en este apartadouna metodología propuesta y aplicada en diferentesacuíferos fracturados en el Reino Unido (Robinson yBarker, 2000; Robinson y Barker, 2001). En dichametodología se emplean modelos estocásticos comoherramienta para delimitar zonas de protecciónbasadas en análisis de riesgo al medio ambiente,contemplando la incertidumbre en los parámetrossimulados, lo que supone ventajas respecto al análi-sis de incertidumbre determinística.

Hay que resaltar en primer lugar que cualquier meto-dología fiable para determinar zonas de protecciónen medios fracturados se basa en tener datos apro-piados (en calidad y cantidad) para aplicar el métodode modelización seleccionado.

Para elaborar modelos de fracturación estocásticosse requiere como mínimo conocer de cada conjuntode fracturas la distribución de los siguientes paráme-tros:

– Densidad o espaciado.– Orientación.– Longitud.– Apertura.

Los datos que existen normalmente en el entorno delas captaciones de abastecimiento comprenden:ensayos de bombeo (obteniéndose así datos detransmisividad, coeficiente de almacenamiento ycono de depresión), cartografía geológica, columnalitológica y logs geofísicos en las captaciones. Enalgunas ocasiones se dispone además de testifica-

ción geofísica de zonas más amplias, ensayos debombeo en secciones aisladas mediante obturadoresy ensayos de trazadores. Es decir en muchos casosno se dispone de todos los parámetros y distribucio-nes requeridas para realizar un modelo estocástico.

Para suplir esa carencia se puede recurrir al análisisde fracturas aflorantes (que requiere poco tiempo yproporciona información sobre densidad, orienta-ción y longitud de las fracturas), extrapolar datosentre diferentes regiones del mismo estilo estructu-ral o inferirlos a partir de relaciones teóricas.

Las relaciones teóricas más empleadas son:

• Densidad de fracturas o espaciado:

– En muchas rocas sedimentarias hay una relaciónlineal entre espesor de la capa (obtenida entreotros sistemas de la columna litológica y logsgeofísicos) y el espaciado entre fracturas (Ladei-ra y Price, 1981).

– Correlación entre densidad de fracturas y longi-tud de fractura (Robinson, 1984; Charlaix etal.,1984).

– Correlación entre espaciado de fracturas y carac-terísticas de la masa de roca contemplada enestudios geotécnicos (Priest y Hudson, 1976).

• Orientación:

La orientación de las fracturas depende del régi-men de esfuerzos en su época de formación. Enzonas donde la historia tectónica y orogénica esconocida se dispone de las direcciones de losesfuerzos en las diferentes épocas.

• Longitud de fracturas:

– Correlación entre densidad de fracturas y longi-tud de fracturas, como se indicó anteriormente.

– Correlación entre longitud de fracturas y apertu-ra de las mismas (Hatton et al., 1994).

• Apertura:

Correlación entre la longitud de fractura y su aper-tura.

Los estudios realizados referentes a estos parámetrosindican (Robinson y Barker, 2001) que siguen unadistribución estadística. Así la longitud, apertura ydensidad siguen una distribución log normal y laorientación tiende a seguir una distribución elíptica.

Cabe concluir, por tanto, que empleando los siste-mas anteriormente indicados es posible obtener losdatos requeridos para aplicar un modelo de fractu-

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ración estocástico, pero, por desgracia, el dominioque puede ser modelado usando éste, incluso enordenadores personales potentes, es solamente váli-do para la zona de protección más próxima a la cap-tación y no para las demás zonas, siendo imprescin-dible desarrollar métodos que incorporen el modelode fracturas en otro que permita simular todo elámbito del perímetro.

Hasta que ese modelo esté disponible hay que simu-lar la heterogeneidad de los sistemas de flujo porfracturas pero dentro de la estructura de un modelode porosidad intergranular tridimensional parapoder aplicar la modelización estocástica a todo elperímetro de protección. Esto puede lograrse (Robin-son y Barker, 2001) combinando un modelo de flujotridimensional a través de fracturas, como el FRAC-MAN (Dershowitz et al., 1998), y un modelo porporosidad intergranular, como el MODFLOW.

La metodología propuesta (Robinson y Barker, 2001)consta de cuatro etapas, ilustrándose con la aplica-ción por dichos autores a un acuífero en areniscas enGloucester (Reino Unido):

Etapa 1. Obtención de los datos referentes a losparámetros característicos de las fracturas y sudistribución:

Se emplean los estudios y procedimientos ante-riormente detallados para obtener la informaciónrequerida.

Así, en el estudio indicado (que corresponde a unacuífero en areniscas con flujo a través de fractu-ras únicamente en los primeros 30 a 50 m, conflujo por porosidad intergranular despreciable),se efectuaron específicamente tres sondeos demonitorización con levantamiento de columnageológica, ensayos de testificación hidráulica ensecciones aisladas por obturadores, logs geofísi-cos y ensayos de trazadores simultáneos a ensa-yos de bombeo, junto a la información ya exis-tente, para definir su modelo conceptual de fun-cionamiento hidrogeológico.

Etapa 2. Modelización del flujo por fracturas:

En primer lugar se introduce y calibra la informa-ción referente al sistema de fracturas, para obte-ner una concordancia entre las características dela red de fracturas definida y los parámetrosmedidos de las mismas. Para ello puede emplear-se el modelo FRACMAN (Dershowitz et al., 1998)u otro similar. Los parámetros usados en la cali-bración en el ejemplo indicado fueron: la densi-dad de fracturas en el sondeo, y en la zona, aper-tura de fracturas, número de fracturas intersecta-

do en los sondeos, almacenamiento del conjuntodel sistema, así como la transmisividad en lossondeos.

Con estos parámetros se efectúa una modeliza-ción del flujo para obtener la calibración emple-ando los datos de los ensayos de bombeo. Semuestra como ejemplo en la tabla 68 los pará-metros considerados finalmente en el estudioindicado, que serían los empleados en lassiguientes modelizaciones a realizar con el méto-do propuesto.

Estos parámetros se emplean para obtener múlti-ples modelizaciones de este sistema de fracturasya calibrado. Se aplica un gradiente hidráulico através de cada uno de los bloques considerados endiferentes direcciones, calculándose el flujo deentrada y salida de cada bloque. Esto permiteobtener una conductividad hidráulica efectiva delbloque usando la ley de Darcy para cada una de lasdiferentes direcciones consideradas. El proceso serepite hasta que la distribución de conductividadeshidráulicas en cada dirección se estabilice.

Se varía entonces el tamaño del bloque de frac-turas usado en la simulación, para asegurar queel tamaño empleado de éste puede considerarseun volumen elemental representativo (VER) de laroca, en el cual los valores de los tensores de con-ductividad hidráulica y porosidad se estabilizan.

Etapa 3. Simulación de flujo y de trayectorias departículas:

Las distribuciones de los valores direccionales deconductividad hidráulica y porosidad se introdu-cen en un modelo de flujo para medios con poro-sidad intergranular, como MODFLOW, con celdasdel mismo tamaño o superior que la correspon-diente al volumen elemental representativo, quese ha determinado en la etapa 2, introduciéndo-se los límites y condiciones de contorno (recarga,ríos y drenes entre otros). Se calibra entonces elmodelo empleando parámetros no utilizados enlas calibraciones de etapas previas, como porejemplo la recarga.

Por último una vez concluida la calibración sesimula la trayectoria de las partículas para múlti-ples realizaciones del modelo.

Etapa 4. Contornos de probabilidad de la trayec-toria de las partículas:

Se analiza la trayectoria de las partículas defi-niéndose contornos de probabilidad para losdiferentes tiempos de tránsito considerados al

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definir las zonas en que se subdividen los perí-metros de protección.

En el estudio incluido como ejemplo se desarrollóun código para obtener los contornos de proba-bilidad empleados (50 días, 400 días y el total delárea de alimentación).

Para crear los contornos de probabilidad en todoel dominio del modelo se emplea un modeloestocástico, capaz de efectuar simulación de tra-yectorias de partículas aguas arriba para múlti-ples escenarios y múltiples realizaciones de cadaescenario, sobreimponiéndose una malla hori-zontal bidimensional en el área definida paradichas trayectorias.

Para los contornos de tiempo de tránsito consi-derados, 50 días y 400 días, se contabilizan lasveces que cada partícula pasa a través de cadacelda de la malla.

Muchas partículas pasarán a través de la mayoríade las celdas de la malla al ser múltiples escena-

rios y múltiples realizaciones de cada uno deellos, definiéndose así una distribución de tiem-pos de tránsito para cada elemento. El análisis desu distribución permite definir la probabilidad departículas que requieren un tiempo de tránsitopara alcanzar la captación.

La aplicación de esta técnica al estudio empleadose indica en la figura 77.

Al calcular los contornos de probabilidad del áreade alimentación de la captación la probabilidadde que una celda de la malla esté dentro de lamisma se calcula como la proporción de realiza-ciones para las cuales ninguna partícula ha entra-do. Las probabilidades se calculan de la mismaforma que en la correspondiente a los tiempos detránsito elegidos, por lo tanto las mayores proba-bilidades suceden a mayores distancias de la cap-tación.

El contorno de probabilidad del 10 % estará máscerca a la captación de bombeo que el del 90 %.Por lo tanto cuanta mayor es la probabilidad

Parámetro

Dirección (grados) 144,0 320,0 31,5 Buzamiento (grados) 24,6 67,5 8,3 Distribución Fisher Fisher Fisher Coef. de distibución-dispersión* 10 10 10 Tamaño (m) 10 10 10 Distribución de tamaño Log normal Log normal Log normal Desviación estándar 5 5 5 Dirección de alargamiento (grados) 0 0 0 Proporción de aspecto 1 1 1 % de finalización 0 0 0 Intensidad (m-1) 0,505 0,376 0,157 Distribución de intensidad Gamma Gamma Gamma Coeficiente de distribución* 0.05 0,01 0,001 Correlación de transmisividad (T)* Con tamaño Con tamaño Con tamaño Exponente de correlación de T* 0,3 0,3 0,3 Factor de correlación de T* 2,57·10-6 2,57·10-6 2,57·10-6

Factor de desviación de T* 1 1 1 Correlación de almacenamiento (S)* Con tamaño Con tamaño Con tamaño Exponente de correlación de S* 0,3 0,3 0,3 Factor de correlación de S* 5·10-6 5·10-6 5·10-6

Factor de desviación de S* 1 1 1 Correlación de espesor de fracturas* No correlacionado No correlacionado No correlacionado Espesor de fracturas (m) 10-4 10-4 10-4

Número del conjunto de fracturas

Conjunto 1 Conjunto 2 Conjunto 3

Tabla 68: Parámetros resultantes tras la calibración efectuada en el estudio incluido como ejemplo (en Alton Court,Reino Unido) de los sistemas de fracturas considerados.

* Parámetros como se definen para el modelo FRACMAN (Dershowitz et al., 1998) Fuente : Modificado de Robinson y Barker, 2001

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mayor es la confianza en que la zona de protec-ción de la captación esté dentro del área delimi-tada.

Para proteger la captación en un alto grado deberí-an emplearse idealmente contornos de probabilidadelevados (por ejemplo 90-95 %) que abarcarán elárea más grande alrededor de la captación. Sinembargo esto llevaría a definir zonas muy grandes,probablemente inasumibles respecto a las restriccio-nes a la actividad del suelo que implica la aplicaciónde esta metodología al delimitar perímetros de pro-tección.

Una alternativa podría ser la aplicación de diferentesprobabilidades a las diferentes actividades según suriesgo potencial de contaminación del agua subte-rránea.

Las diferentes zonas empleadas (50 días, 400 días yel total del área de alimentación en el estudio indi-cado) deben representarse en mapas separados paraevitar confusiones, puesto que es probable que por

ejemplo los contornos de baja probabilidad de lazona de 400 días se superpongan con los contornosde alta probabilidad de 50 días.

Cabe indicar, por último, como ya indican los auto-res proponentes de esta metodología (Robinson yBarker, 2001), que las zonas de protección delimita-das en acuíferos fracturados aplicando esta metodo-logía se prevé que serán más grandes que las obte-nidas mediante una aproximación a medios conporosidad intergranular, pero en cambio tendrían laventaja de ser más defendibles ya que consideran lascaracterísticas del medio fracturado.

8.3. Método de Bolsenkötter

Se trata de una modificación del método de Rehse(Apartado 6.3.10) para el cálculo del poder depuradorde los materiales, aplicable a los materiales fisurados.

El método de Rehse es aplicable a sistemas isótro-pos, en los cuales la circulación del agua se produce

Figura 77: Técnica de desarrollo de los contornos de probabilidad para las zonas de protección de400 días.

a través de un medio con porosidad intergranular.Bolsenkötter ha completado el método de Rehseproponiendo otro similar para los medios fisurados.

El poder depurador de las rocas en medios fisuradoses menor que en los medios con porosidad intergra-

nular y por ello aumenta las distancias necesariaspara conseguir una depuración total. En este casoBolsenkötter ha calculado unos nuevos índices queaparecen reflejados en la tabla 69, para ser utilizadoscon la misma metodología explicada en el apartado6.3.10 para medios con porosidad intergranular.

196


M

1234567

Descripción del material

MargasAreniscas con capas arcillosas. Arcillas, micaesquistos y filitasBasaltos y rocas volcánicasGrauvacas, arcosas, areniscas arcillosas, limosasGranito, granodiorita, diorita, sienitaCuarcitas, areniscas con sílexCalizas

1020305070

100200

0,050,0250,0170,010,0070,0050,0025

H(m) Ia = 0,5/h

Tabla 69: Poder depurador de las rocas (Bolsenkötter).

8. PROTECCIÓN DE LAS CAPTACIONES DE ABASTECIMIENTO...

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