Hydrogeological Methodologies for Water Resource AssessmentMetodologías Hidrogeológicas para la Evaluación del Recurso Hídrico

"(.)

ch) To investigate, protect, and promote the use of the country's water resources, both surface and groundwater. (.)

• h)To monitor compliance with legal provisions in matters within its purview. The decisions made by the Service for this reason, concerning well drilling and the exploitation, maintenance, and protection of waters carried out by public institutions and private parties, shall be final and of mandatory compliance. Notwithstanding, such decisions may be appealed within ten days on grounds of legality before the Superior Contentious-Administrative Tribunal. The Tribunal shall resolve within a period of no more than ninety days. (.)" FOURTH: That pursuant to the Water Law No. 276 of August 27, 1942, and its amendment through Law No. 5516 of May 2, 1974, it is established in its articles 17 and 2 respectively, that it is the responsibility of the Ministry of Environment, Energy, and Telecommunications (MINAET) to dispose and resolve on the domain, surveillance of public-domain waters, MINAET shall maintain a registry for the registration of individuals or companies whose activity is well drilling, without being able to grant a license to drill to those who are not registered.

FIFTH: That the amendment to the Organic Regulation of the Ministry of Environment, Energy, and Telecommunications, Executive Decree No. 36437-MINAET, establishes in its article 41, the functions corresponding to the Water Directorate. Among these, the following:

"Article 41. Functions of the Water Directorate.

(.)

j). To admit, process, and resolve on applications for subsoil drilling permits for the exploration and exploitation of groundwater and to assign the respective well number.

(.)

• n)Control and follow-up of drilling companies and drilling permits." (.)
• r)To coordinate with other institutions as appropriate, the preparation of technical studies for the determination and establishment of hydraulic reserves, zones of use regulation and protection of groundwater and surface water, water reserve zones, aquifer recharge and discharge zones, as well as to formulate and propose to the Minister the executive decree for the declaration and management policies of water resources in these zones".

SIXTH: That in matters of drilling-concession permits, it is the function of AYA to pronounce on the protection of sources destined and identified for the supply of populations; in addition to promoting, with binding opinion, the protection of the investment in hydraulic infrastructure for the public service that guarantees the supply of water. Regarding these opinions, it is the responsibility of AYA to communicate them officially to the Water Directorate of MINAET.

SEVENTH: That according to its constitutive law, the opinions issued by SENARA are of mandatory compliance, in particular those referring to the technical viability of a drilling or its denial, to the constructive design of a well, and its drilling conditions.

EIGHTH: That the Division of Operative and Evaluative Oversight, Area of General Public and Environmental Services of the Comptroller General of the Republic, through Report No. DFOE-PGA-42/2007, of November 22, 2007, "Report on the evaluation of the application of policies and regulations regarding water resources by the Ministry of Environment and Energy (MINAE)", and whose central objective was to evaluate the governing function carried out by the Ministry of Environment, Energy, and Telecommunications (MINAET) in the application of policies and regulations on water resources, indicated the following:

"The Attorney General's Office of the Republic, making reference to votes of the Constitutional Chamber the Political Constitution, the administrative autonomy of decentralized institutions is not a guarantee of unrestricted constitutional autonomy, since the law, apart from defining their competence, can subject them to directives derived from development policies that the same law entrusts to the Central Executive Power, thus making it constitutionally possible to subject autonomous entities in general to national planning criteria and in particular, to directives of a general nature issued by the Central Executive Power or by Central Administration bodies, called upon to complete or supervise that general policy." NINTH: That the Division of Operative and Evaluative Oversight of the Comptroller General of the Republic issued Report DFOE-PGAA-11-2009, based on the audit study conducted between January 1, 2004, and December 31, 2008, that evaluated the management of MINAET, SENARA, and AYA in the granting, control, and follow-up of permits for well drilling, water exploitation concessions, and the collection of the canon in coastal zones.

As a result of this audit, different provisions were contemplated for MINAET, AYA, and SENARA, among them, the following: "a) Jointly design a research methodology to carry out hydrogeological studies to be used as a basis for issuing regulations on well drilling and as a fundamental requirement for well drilling permit applications (...)" TENTH: That in compliance with the cited provisions and in pursuit of a better integrated management of water resources, the "Inter-institutional Technical Committee" was formed, comprised of the institutions that share competencies in groundwater matters: MINAET, AYA, and SENARA.

ELEVENTH: That MINAET, through the Water Directorate, coordinated the team of specialists from AYA and SENARA for the preparation of the methodology ordered by the Comptroller entity; carrying out a systematic and transparent work with professionals in water management from the private and public sectors as shown in report SUB-G-AID-UEN-GA-2010-614, whose document proposal was sent for consultation to the Colegio de Geólogos de Costa Rica through official communication DA-3058-2010 dated September 2, 2010.

TWELFTH: That the Inter-institutional Technical Committee has reached a consensus and defined the scientific methodologies that must be applied for the assessment of waters and that must be observed in studies for drilling permits and water exploitation concessions and for investigations on water resources.

THIRTEENTH: That the Minister of Environment, Energy, and Telecommunications, in his dual capacity as Environmental Head and as governing authority of the Environment/Water Resources Sector, is responsible for coordinating water-related matters, therefore, and due to the importance and vulnerability of groundwater, he must establish the technical-scientific regulations that serve as a regulatory guide for the hydrogeological methodologies that assess groundwater resources for the drilling of exploration and groundwater exploitation wells, based on methodologies agreed upon by the Inter-institutional Technical Committee, and in compliance with the provisions issued by the Comptroller General of the Republic.

THE MINISTER OF ENVIRONMENT, ENERGY AND TELECOMMUNICATIONS AGREES:

"Hydrogeological Methodologies for the Assessment of Water Resources"

General Provisions

The "Hydrogeological Methodologies for the Assessment of Water Resources", hereinafter "Hydrogeological Methodologies", are a guide of methodologies for the assessment of groundwater resources.

The Hydrogeological Methodologies shall be applied by individuals or legal entities, public or private, who must utilize hydrogeological methodologies for the assessment of water resources.

Definitions

For the purposes of applying the Hydrogeological Methodologies, the terms are defined as follows:

Aquifer: Geological formation or formations that are capable of storing and transmitting water in utilizable quantities under the action of hydraulic gradients.

Artesian or flowing aquifer: Confined aquifer whose piezometric level is above the ground surface, so that when drilled, the water flows at the surface.

Perched aquifer: Aquifer that contains a volume of groundwater of small dimensions, supported by a stratum of lower hydraulic conductivity (conductibilidad hidráulica).

Confined aquifer: Aquifer bounded by formations of low hydraulic conductivities (conductibilidades hidráulicas) and has a pressure greater than atmospheric pressure. According to the storage coefficient, these aquifers have values of 1 x 10 -4 or less.

Unconfined or free aquifer: One in which its upper limit is at atmospheric pressure. Storage coefficients have values of 1x10-2.

Semiconfined aquifer: Aquifer covered by a stratum of a lower hydraulic conductivity (conductibilidad hidráulica), through which water can be drained depending on the piezometric levels. Storage coefficients have values between 1x10-2 and 1x10-4.

Differential gauging (aforos diferenciales): Methodology that establishes the measurement of flow rates of a watercourse in contiguous sections, used to estimate the water exchange relationship between a watercourse and an aquifer.

Recharge area: Corresponds to the area of an aquifer, where water infiltrates and recharges it.

Discharge area: Can be of two types: natural and artificial. Natural discharge is when the groundwater level intercepts the surface in the form of wetlands, springs (manantiales), base flow, and other ecosystems dependent on groundwater. Artificial discharge occurs through wells or any other mechanical method.

Water balance (balance hídrico): Hydrological system where the inputs (precipitation, lateral flows, and returns) and outputs (groundwater flow (flujo subterráneo), base flow, and extractions) are determined.

Soil water balance (balance hídrico de suelos): Amount of water that the saturated soil yields, as recharge to an aquifer.

Field capacity: Moisture level of a sample that has lost all its gravitational water. It roughly corresponds to the water content retained by a saturated soil sample and then subjected to a tension of -0.33 bars.

Storage coefficient (S): Water that can be released by a vertical prism of the aquifer with a cross-section equal to one unit and height equivalent to its saturated thickness when a unit drop in the piezometric level occurs. It is a dimensionless value. In unconfined aquifers, its value coincides with the drainable porosity (0.1-0.001). In confined aquifers, it is linked to the compressibility of water and the aquifer medium, and its value usually ranges between 10-5 and 10-3.

Hydraulic conductivity (k) (conductividad hidráulica): Volume of water that a geological formation lets pass through a section in a given time, meaning it has units of velocity. Hydraulic conductivity depends on the geometry of the medium (grain size, uniformity coefficient, and porosity) and on the properties of the fluid (specific weight and dynamic viscosity).

Watershed (cuenca hidrográfica): Surface area bounded by a topographic water divide, where all waters drain to a single point (river, lake, sea). The watershed as a system integrates different subsystems (political, economic, biological, cultural, among others), and water is the integrating agent of all processes within it.

Hydrogeological basin (cuenca hidrogeológica): Refers to the groundwater basin, which may or may not coincide with the watershed. It is defined by the divide of groundwater flow systems.

Bulk density: Mass per unit volume (kg/m3), including the voids of a dry soil sample.

Effluence: Aquifer feeds a drainage or water body.

Direct surface runoff: Part of the rainwater that circulates over the ground surface and converges into rivers, streams, and other water bodies.

Potential Evapotranspiration (ETP): Result of the process by which water changes state from liquid to gas and directly, or through plants, returns to the atmosphere as vapor. It is the sum of evaporation and transpiration.

Base flow: Water flow that returns to the surface system. In some cases, if the watershed is closed, it is the drainage of groundwater.

Return flow: Water flow that returns to the system (river channel or groundwater) after being used for different purposes.

Groundwater flow (flujo subterráneo): Flow that passes through a section of aquifer delimited by two flow lines.

Subsurface flow: Percentage of precipitation-infiltration that is not incorporated into the aquifer recharge and instead flows horizontally towards preferential sites or zones (rivers or streams). It is not considered an aquifer.

Hydraulic gradient: In a porous medium, it is the decrease in piezometric head per unit distance in the direction of groundwater flow. It represents the energy loss per unit length traveled.

Infiltration: Slow movement (gravity) of water through the soil-rock (unsaturated zone) to the groundwater level.

Influence: Drainage or water body that recharges the aquifer.

Isophreatic, piezometric, or equipotential line (línea isofreática, piezométrica o equipotencial): Lines that join points having the same hydraulic potential.

Spring (manantial): Flow of groundwater that emerges at the surface due to topographic changes, preferential zones, geological-structural features such as faults, or changes in hydraulic conductivity, fractures, or discontinuities. Some springs have a very important relationship with precipitation-infiltration processes and therefore decrease their flow rate in seasons of low precipitation.

Micro-watershed: Area that develops its drainage directly to the main current of a sub-watershed. Several micro-watersheds can form a sub-watershed.

Conceptual hydrogeological model: Logical scheme, at both a qualitative and quantitative level, that describes the properties, conditions, processes, and potentialities of aquifers, allowing understanding of aquifer functioning, to predict their behavior and determine their exploitable resources.

Dynamic level: Also called pumping level. It is produced when the discharge of the aquifer by a well begins. This level depends on the pumping rate, the pumping time, and the hydrogeological characteristics of the aquifer.

Static level: Is the depth of the groundwater level in the aquifer formation.

Intrinsic permeability: Inherent characteristic of materials depending on the section through which the fluid circulates. This characteristic depends on the properties of the medium and is independent of the fluid.

Piezometer: Corresponds to a well whose exclusive use is for monitoring levels and taking water quality samples.

Effective porosity: Percentage of interconnected pores that allow fluid circulation.

Wilting point: Moisture level of a soil surrounding the root zone of vegetation, such that the suction force of the roots is less than the water retention force by the ground and consequently, plants cannot extract it.

Stream: Area that develops its drainage directly to the main current of a micro-watershed. Several streams can form a micro-watershed.

Sustainable yield of an aquifer: Water balance (balance hídrico) where the recharged water, groundwater flow (flujo subterráneo), extracted water, returns, and discharge that feeds natural ecosystems are considered.

Sub-watershed: Area that develops its drainage directly to the main course of the watershed. Several sub-watersheds can form a watershed.

Transmissivity (T) of an aquifer system: That which measures the amount of water, per unit width, that can be transmitted horizontally through the saturated thickness of an aquifer with a hydraulic gradient equal to 1 (unit). Commonly defined as the product of hydraulic conductivity (conductividad hidráulica) and the saturated thickness of the aquifer; however, transmissivity values vary greatly in space.

Aquifer vulnerability: Level of penetration with which a contaminant reaches a specific position in an aquifer system, after its introduction at some position above the unsaturated zone. It is also defined as the natural susceptibility that an aquifer presents to contamination and is determined by its intrinsic characteristics.

Unsaturated Zone: That part of the subsurface where the pores are not completely occupied by water.

Saturated zone: That part of the subsurface where its pores are completely occupied by water. This part of the subsurface is called an aquifer.

Capture zone: Corresponds to the area that directly contributes or yields water to a well or spring (manantial).

Groundwater Water Balance and Safe Yield

To carry out the water balance (balance hídrico), the following components must be considered:

• a)Base flow (measurement by gauging or fluviographic station).
• b)Groundwater flow (flujo subterráneo).
• c)Water extraction from wells and/or springs (manantiales), the flow data from the concession files of exploitation permits from the responsible entity will be used, and in the case that it is not concessioned, the flow indicated in the drilling permit will be used.
• d)Return water.
• e)Sustainable yield of an aquifer.

For particular cases where monitoring networks are available, the recharge may be defined based on changes in groundwater levels.

It must be accompanied by a hydrogeological model that must include: maps, geological-hydrogeological profiles, flow net (prepared with springs (manantiales) and wells), types of aquifers, parameters (storage coefficient, transmissivity, hydraulic conductivity (conductividad hidráulica)), and the use of tracers and isotopes is recommended.

It is recommended to include the return flow rate in the water balance calculation. In case there are no fluviographic stations at the watershed outlet to calculate the base flow, punctual or historical gaugings measured monthly may be used to establish the recession curve and determine an approximate base flow.

For the determination of effluence and influence of water bodies with respect to the aquifer evaluated, differential gaugings (aforos diferenciales) must be conducted in ranges according to the following detail: in micro-watersheds, they must be longitudinally spaced between 50 and 100 meters apart, in sub-watersheds between 100 and 500 meters, and in watersheds between 500 and 1000 meters.

Sustainable yield can be considered as a water balance (balance hídrico) where the recharged water, groundwater flow (flujo subterráneo), extracted water, returns, and discharge that feeds natural ecosystems are considered. It has been considered that the base flow and groundwater discharge may be left as sustainable yield, or it could also be a fraction of the recharge. However, based on monitoring, a higher exploitation flow rate from the base flow or aquifer discharge may be obtained. These analyses shall be defined by the institutions involved in water resource management.

Saline Intrusion

For greater certainty when characterizing zones with saline intrusion, it is recommended to use physico-chemical ratios and also to use bromide as a conservative element of seawater. In case other contamination agents exist, they must be considered in the analyses, for example: animal excreta, application of agrochemicals, sanitary landfills, and garbage dumps.

For saline intrusion studies, the use of the Glover (6) method is recommended. In cases where the bottom of the drilling is above sea level, it is not necessary to apply the methodologies for calculating saline intrusion; for this, it must be justified through the conceptual hydrogeological model and attach a topographic-hydrogeological profile that allows concluding that, given the groundwater level, there is no possibility of contamination by saline intrusion.

In the event of not having basic information for the preparation of saline intrusion studies, indirect methods such as geophysics may be used, or

Pumping Tests

guidelines:

• a)All final reports for the wells must attach the interpretation of the pumping tests. Said tests must have a minimum duration of 24 hours; however, for urban (population) use, the test must be 72 hours.
• b)In specific cases, where clearly demonstrated with hydrogeological technical criteria, the duration of the tests could be shorter. This could apply in areas where it is not advisable to extend the radius of influence to a certain distance, for example in coastal zones at risk of saline intrusion due to long pumping periods, or due to impacts on other nearby intakes.
• c)For unconfined aquifers, the Neuman (6) methodology shall be used; for confined aquifers, Thies and Jacob (6); and for semiconfined ones, the Hantush (6) methodology shall be used.
• d)From the pumping test data, the aquifer parameters shall be determined, particularly transmissivity, hydraulic conductivity (conductividad hidráulica), and storage coefficient (provided there is an observation or witness well). In case an observation well is required, this shall be defined by the competent public institutions.
• e)The recovery curve with a minimum of 80% must be presented. The pumping tests must be delivered to the competent public institutions in digital spreadsheet format and in print. Also attached shall be: the field data and interpretation of the tests.

Radii of Influence between Wells and Water Bodies

• a)Unconfined aquifers: use the Jacob flow equation (6).
• b)Confined aquifers: for these cases, apply the following steps: i) define the flow net (conceptual model), ii) calculate the capture zone of the well (Q=T*i*L), and iii) calculate the drawdown of the pumping well based on the following formula:

where:

Δs=drawdown (m) r= radius of the well to be drilled Q= future pumping flow rate m3/d T= Transmissivity m2/d t=pumping time (days) s=storage coefficient In the case of confined aquifers, interference with another well will be accepted provided it does not exceed 25% of the drawdown of the pumping well.

• c)Semiconfined aquifers: interference with upper aquifers must be calculated using Hantush (6).

Recharge Zones

The methods that will be accepted for determining soil infiltration are the following:

• a)Ring method (Kostiakov method (13)): this is designed to measure infiltration velocity; however, when the velocity is stabilized, it is assumed as the hydraulic conductivity (conductividad hidráulica) of the medium. This method shall be used basically in water balance (balance hídrico) studies (aquifer recharge) and also for calculating transit times, it must be conducted at a representative depth of the geological stratum.
• b)Porchet, Lefranc, and Guelph method (5-8-9): these are designed to measure hydraulic conductivity (conductividad hidráulica) and are used basically for transit time calculation studies. The Lefranc method must be applied depending on the configuration of the hole and the shape factor (see table number 1).

Table 1 Hydraulic Conductivity (Conductividad Hidráulica) Tests For all the above methods (double ring, Porchet, and Lefranc), the soil saturation state must be considered.

The infiltration test method established in the design standards for septic tanks for urbanizations and subdivisions (fraccionamientos) by A y A, shall be used solely for those purposes (design of the drainage field for septic tanks).

The printed calculation report for each test with its respective field data must be submitted.

The methods recommended for determining hydraulic conductivity (conductividad hidráulica) (aquifer) and that shall be used in the definition of the conceptual model are:

a. Lugeon method (3) b. Slug Test (6) c. Pumping Tests

Calculation of Transit Time for Organic, Inorganic, and Bacterial Contaminants

R = retardation v = water velocity vc = contaminant velocity n = porosity % k = hydraulic conductivity (conductividad hidráulica) (m/day) pb = soil density (Kg/m3) Kd = soil retardation parameter based on its texture However, to use the previous equation, the laboratory determination of Kd (partition coefficient) must be carried out; otherwise, the Darcy flow equations must be used. The contaminant movement equations, in addition to taking into account the heterogeneity of the medium, such as fractures, macropores, joints, and discontinuities, must also consider the intrinsic properties of the compounds, be they bacteria, organic compounds, chemicals, and pesticides.

Hydrogeological Vulnerability Methods

To determine the analysis of hydrocarbon contamination hazard, the combined methodology of transit times in the unsaturated zone and the calculation of intrinsic vulnerability by the GOD method will be used. With the value of the transit times calculated previously, look up the safety factor in table 2 and multiply it by the intrinsic vulnerability, and finally we obtain the final specific vulnerability or contamination hazard.

Table 2 Values of the Safety Factor for Calculating the Intrinsic Vulnerability of the Aquifer to Hydrocarbons | >7500 | 7500- 5250 | 5250- 2000 | 2000- 750 | 750- 365 | 750-182 | 182-0 | Th (days) Transit time | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | 1.025 | 1.05 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.5 | 1.7 | Safety Factor | SENARA (2005) (11).

In this type of study, the displacement and extent of the potential contamination plume must also be calculated:

D = 100*V / A * R * K D = depth m V = volume of hydrocarbon (m3) A = infiltration area (m2) R = retention capacity (l/m3) K = viscosity protection factor The factor k corresponds to 0.5 for gasolines (viscous hydrocarbons), 1.0 for diesel oils, and 2.0 for very viscous hydrocarbons. R has values, boulders and coarse gravel 5, gravel and coarse sand 8, coarse-medium sand 15, medium to fine sand 25, and fine sand and silt 40.

The following equation is also proposed (Auge, 2004 (1)):

S = (1000*V -A*R*b*k)/ F S = maximum extent of the hydrocarbon on the phreatic surface V = volume of infiltrated hydrocarbon (m3) A = surface infiltration area (m2) R = retention capacity (l/m3) b = saturated thickness of the aquifer (m) F = amount of hydrocarbon retained above the capillary fringe (l/m2 or mm) F for gravels 5, medium sands 12, fine sands 20, and silts 40.

For the construction designs of service stations, current legislation must be complied with.

To determine the thickness of the unsaturated zone "b", used in the transit time calculations, the level of the excavation floor where the hydrocarbon storage tanks will be installed down to the groundwater level must be used.

Wellhead protection zones

The well capture zone must be defined using the analytical Darcy equation (width and point of no return) and a bacteriological protection zone (70 days in porous media and 100 days in fractured media) defined with the fixed radius methodology:

r = (Q t / 3.1415 * n * b)0.5 (4) r = radius m Q = flow rate m3/day n = porosity of the aquifer b = thickness of the aquifer (m) t = time (pumping days, 70 or 100 days) Activities may be permitted within the delineated capture zone if, depending on the vulnerability, threat, and hazard, they do not cause contamination of the aquifers.

Well design must consider all the characteristics defined in the current Reglamento de Perforación de Pozos para la Exploración y Aprovechamiento de Aguas Subterráneas.

Research piezometers for groundwater monitoring must request a permit according to the current Reglamento de Perforación. In special protection zones, the institutions requesting the piezometers must supervise their design.

In every borehole for groundwater extraction, a pipe with a diameter of 3.81 centimeters must be installed for the purpose of measuring groundwater levels; this must be installed from the ground surface to two meters below the dynamic level, and a piping system must also be provided to allow flow rate measurement from the ground surface.

Bibliography (1) Auge, M.; (2004): Hidrogeología Ambiental. Universidad de Buenos Aires, Argentina. 13-15 pág. (2) Auge, M.; (2004): Vulnerabilidad de Acuíferos. Revista Latinoamericana de Hidrogeología, Buenos Aires Argentina. n.4 85-103 pág. (3) Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas Y Mitigación de Desastres, (1992): Seminario Taller de Mecánica de Suelos y Exploración Geotécnica. Lima Perú. 27-37 pág. (4) Chin, D.A.; (2000): Water-Resources Engineering. Prentice Hall. Upper Saddle River , New Jersey. 562-563 pág. (5) Custodio, E. & Llamas, M.R.; (2001): Hidrología Subterránea, Segunda Edición. Editorial Omega. España. 345-346 pág. (6) Fetter, C.W.; (1988): Applied Hydrogeology. Fourth Edition. Prentice Hill. Upper Saddle River, new Jersey. 150-218 y 327-337 pág. (7) Gary, P. Curtis, Paul V. Roberts & Martin Reinhard; (1986): A natural gradient experiment on solute transport in a Sand aquifer 4.

Sorption of organic solutes and its influence on mobility. Water Resources Research Vol. 22 Nº 13, 2059-2067 pág. (8) J. Dafonte Dafonte, M. Valcárcel Armesto, X.X. Neira Seijo & A. Paz Gonzales; (1999): Análisis de los métodos de cálculo de la conductividad hidraílica saturada de campo medida con permeatro de Guelph. Estudios de la zona no saturada del suelo. Tenerife España. ISBN 84. (9) Lambe, W.T., Whitman, R.V.; (1972): Mecánica de Suelos. Editorial Noriega Limusa. México D.F. 303-304 pág. (10) Monsalve, G.; (1999): Hidrología en la Ingeniería. 2ª. Edición, Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. ALFAOMEGA. 182 pág. (11) SENARA (2009): Procedimiento técnico para el análisis de los trámites de hidrocarburos (tanques de autoconsumo y estaciones de servicio). Documento Interno de la Dirección de Investigación y Gestión Hídrica DIGH. (12) Shosinsky, G.; (2006): Cálculo de la Recarga Potencial de los Acuíferos mediante un balance hídrico de suelos. Revista Geológica de América Central 34-35:13-30 pág. (13) Warren F. (1980): Manual de Laboratorio Física de Suelos. Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas. 158-169 pág.

"Metodologías Hidrogeológicas para la Evaluación del Recurso Hídrico"

Generalidades

Las "Metodologías Hidrogeológicas para la Evaluación del Recurso Hídrico", en adelante "Metodologías Hidrogeológicas", son una guía de metodologías para la evaluación de los recursos hídricos subterráneos.

Las Metodologías Hidrogeológicas serán aplicadas por las personas físicas o jurídicas, públicas o privadas, que deban utilizar metodologías hidrogeológicas para la evaluación de los recursos hídricos.

Definiciones

Para efectos de la aplicación de las Metodologías Hidrogeológicas, se definen los términos de la siguiente forma:

Acuífero: Formación o formaciones geológicas que son capaces de almacenar y transmitir agua en cantidades aprovechables bajo la acción de gradientes hidráulicos.

Acuífero artesiano o surgente: Acuífero confinado cuyo nivel piezométrico se encuentra sobre la superficie del terreno de forma que cuando se perfora el agua fluye en la superficie.

Acuífero colgado: Acuífero que contiene un volumen de agua subterránea de dimensiones pequeñas, soportada por un estrato de una conductibilidad hidráulica menor.

Acuífero confinado: Acuífero limitado por formaciones de bajas conductibilidades hidráulicas y tiene una presión mayor que la atmosférica. De acuerdo con el coeficiente de almacenamiento estos acuíferos tienen valores de 1 x 10 -4 o menores.

Acuífero libre o no confinado: Aquel en el que su límite superior se encuentra a presión atmosférica. Los coeficientes de almacenamiento tienen valores de 1x10-2.

Acuífero semiconfinado: Acuífero cubierto por un estrato de una conductibilidad hidráulica menor, por la cual se puede drenar agua dependiendo de los niveles piezométricos. Los coeficientes de almacenamiento tienen valores de 1x10-2 y 1x10-4.

Aforos diferenciales: Metodología que establece la medición de caudales de un cauce en secciones contiguas, utilizada para estimar la relación de intercambio de agua entre un cauce y un acuífero.

Área de recarga: Corresponde con el área de un acuífero, donde el agua infiltra y lo recarga.

Área de descarga: Pueden ser de dos tipos: natural y artificial. La descarga natural es cuando el nivel de agua subterránea intercepta la superficie en forma de humedales, manantiales, flujo base y otros ecosistemas que dependen de agua subterráneas. La descarga artificial se da por medio de pozos o cualquier otro método mecánico.

Balance hídrico: Sistema hidrológico donde se determina las entradas (precipitación, flujos laterales y retornos) y salidas (flujo subterráneo, flujo base y extracciones).

Balance hídrico de suelos: Cantidad de agua que cede el suelo saturado, como recarga a un acuífero.

Capacidad de campo: Grado de humedad de una muestra que ha perdido toda su agua gravitativa. Corresponde aproximadamente al contenido de agua que retiene una muestra de suelo saturada y luego sometida a una tensión de -0,33 bares.

Coeficiente de almacenamiento (S): Agua que puede ser liberada por un prisma vertical del acuífero de sección igual a la unidad y altura equivalente al espesor saturado del mismo cuando se produce un descenso unidad del nivel piezométrico. Es un valor adimensional. En acuíferos libres su valor coincide con la porosidad drenable (0,1-0,001). En acuíferos cautivos está ligado a la compresibilidad del agua y del medio acuífero, y su valor suele oscilar entre 10-5 y 10-3.

Conductividad hidráulica (k): Volumen de agua que deja pasar una formación geológica a través de una sección en un tiempo determinado, es decir tiene unidades de velocidad. La conductividad hidráulica depende de la geometría del medio (tamaño de los granos, coeficiente de uniformidad y porosidad) y de las propiedades del fluido (peso específico y viscosidad dinámica).

Cuenca hidrográfica: Área de superficie delimitada por una divisoria topográfica de aguas, donde todas las aguas drenan a un mismo punto (río, lago, mar). La cuenca como sistema integra diferentes subsistemas (político, económico, biológico, cultural, entre otros) y el agua es el agente integrador de todos los procesos en la misma.

Cuenca hidrogeológica: Se refiere a la cuenca de aguas subterráneas, que puede o no coincidir con la cuenca hidrográfica. Queda definida por la divisoria de los sistemas de flujo subterráneo.

Densidad aparente: Masa por unidad de volumen (kg/m3), incluyendo los vacíos de una muestra de suelo seco.

Efluencia: Acuífero alimenta un drenaje o cuerpo de agua.

Escorrentía superficial directa: Parte del agua de lluvia que circula por la superficie del terreno y confluye a los ríos, arroyos y otras masas de agua.

Evapotranspiración Potencial (ETP): Resultado del proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso y directamente o a través de las plantas vuelve a la atmósfera en estado de vapor. Es la suma de la evaporación y transpiración.

Flujo base: Flujo de agua que vuelve al sistema superficial. En algunos casos si la cuenca es cerrada es el drenaje del agua subterránea.

Flujo de retorno: Flujo de agua que vuelve al sistema (cauce fluvial o al agua subterránea) después de ser utilizada en los diferentes usos.

Flujo subterráneo: Caudal que pasa por una sección de acuífero delimitada por dos líneas de flujo.

Flujo subsuperficial: Porcentaje de precipitación-infiltración que no se incorpora a la recarga del acuífero y más bien fluye horizontalmente hacia sitios o zonas preferenciales (ríos o quebradas). No se considera acuífero.

Gradiente hidráulico: En un medio poroso. Es la disminución de la altura piezométrica por unidad de distancia en la dirección del flujo del agua subterránea. Representa la pérdida de energía por unidad de longitud recorrida.

Infiltración: Movimiento lento (gravedad) del agua a través del suelo-roca (zona no saturada) hasta el nivel de aguas subterráneas.

Influencia: Drenaje o cuerpo de agua que recarga el acuífero.

Línea isofreática, piezométrica o equipotencial: Líneas que unen puntos que tienen el mismo potencial hidráulico.

Manantial: Flujo de agua subterránea que aflora en la superficie debido a cambios topográficos, zonas preferenciales, rasgos geológicos-estructurales como fallas, o cambios en la conductividad hidráulica, fracturas o discontinuidades. Algunos manantiales tienen una relación muy importante con los procesos de precipitación-infiltración y por lo tanto, disminuyen su caudal en épocas de poca precipitación.

Microcuenca: Área que desarrolla su drenaje directamente a la corriente principal de una subcuenca. Varias microcuencas pueden conformar una subcuenca.

Modelo hidrogeológico conceptual: Esquema lógico, tanto a nivel cualitativo como cuantitativo, que describe las propiedades, condiciones, procesos y potencialidades de los acuíferos, permite entender el funcionamiento de los acuíferos, para predecir su comportamiento y determinar sus recursos Nivel dinámico: También llamado nivel de bombeo. Es producido cuando comienza la descarga del acuífero por un pozo. Este nivel depende del caudal de bombeo, del tiempo de bombeo y de las características hidrogeológicas del acuífero.

Nivel estático: Es la profundidad del nivel de agua subterránea en la formación acuífera.

Permeabilidad intrínseca: Característica propia de los materiales dependiente de la sección por donde circule el fluido. Esta característica depende de las propiedades del medio y es independiente del fluido.

Piezómetro: Corresponde con un pozo cuyo uso exclusivo es para monitoreo de niveles y toma de muestras de calidad del agua.

Porosidad eficaz: Porcentaje de poros interconectados que permiten la circulación de fluidos.

Punto de marchitez: Grado de humedad de un suelo que rodea la zona radicular de la vegetación, tal que la fuerza de succión de las raíces es menor que la de retención del agua por el terreno y en consecuencia, las plantas no pueden extraerla.

Quebrada: Área que desarrolla su drenaje directamente a la corriente principal de una microcuenca. Varias quebradas pueden formar una microcuenca.

Rendimiento sostenible de un acuífero: Balance hídrico donde se contempla el agua recargada, el flujo subterráneo, el agua extraída, retornos y la descarga que alimenta a los ecosistemas naturales.

Subcuenca: Área que desarrolla su drenaje directamente al curso principal de la cuenca. Varias subcuencas pueden conformar una cuenca.

Transmisividad (T) de un sistema acuífero: Aquella que mide la cantidad de agua, por unidad de ancho, que puede ser transmitida horizontalmente a través del espesor saturado de un acuífero con un gradiente hidráulico igual a 1 (unitario). Comúnmente es definida como el producto de la conductividad hidráulica y el espesor saturado del acuífero, sin embargo los valores de transmisividad varían mucho en el espacio.

Vulnerabilidad de acuíferos: Nivel de penetración con que un contaminante alcanza una posición específica en un sistema acuífero, después de su introducción en alguna posición sobre la zona no saturada. También se define como la susceptibilidad natural que presenta un acuífero a la contaminación y está determinada por las características intrínsecas del mismo.

Zona No Saturada: Aquella parte del subsuelo donde los poros no se encuentran ocupados completamente con agua.

Zona saturada: Aquella parte del subsuelo que se encuentra con sus poros ocupados completamente por agua. Esta parte del subsuelo se denomina acuífero.

Zona de captura: Corresponde con el área que contribuya o cede agua de forma directa a un pozo o manantial.

Balance Hídrico de Aguas Subterráneas y Rendimiento Seguro

Para realizar el balance hídrico se debe contemplar los siguientes componentes:

1. Delimitación de la cuenca hidrogeológica o en casos demostrados de coincidencia de la cuenca hidrográfica con la hidrogeológica, se podrá utilizar la hidrológica (cuenca, subcuenca o microcuenca).

2. Climatología, con la precipitación promedio mensual.

3. Evapotranspiración, se recomienda la metodología de Hargreaves (10).

4. Tipos de suelo, pendiente, capacidad de campo, punto de marchitez a partir de la clasificación de suelos (laboratorio: capacidad de campo, punto de marchitez, granulometrías, densidades, contenidos de humedad, límites, densidad aparente y profundidad de raíces).

5. El balance hídrico (recarga potencial), debe contener al menos:

• a)Flujo base (medición por aforos o estación fluviográfica).
• b)Flujo subterráneo.
• c)Extracción de agua de pozos y/o manantiales, se utilizarán los datos de caudal de los expedientes de concesiones de aprovechamiento den ente encargado y en el caso de que no esté concesionado se utilizará el caudal indicado en el permiso de perforación.
• d)Agua de retorno.
• e)Rendimiento sostenible de un acuífero.

Para casos particulares en donde se cuente con redes de monitoreo, se podrá definir la recarga a partir de los cambios de los niveles de aguas subterráneas.

Se debe acompañar de un modelo hidrogeológico que debe contemplar: mapas, perfiles geológicos-hidrogeológicos, red de flujo (elaborada con manantiales y pozos), tipos de acuíferos, parámetros (coeficiente de almacenamiento, transmisividad, conductividad hidráulica) y se recomienda el uso de trazadores e isótopos.

Se recomienda incluir dentro del cálculo de balance hídrico el caudal de retorno. En caso de que no haya estaciones fluviográficas en la salida de la cuenca, que permitan calcular el flujo base, se podrán utilizar aforos puntuales medidos o históricos cada mes para establecer la curva de recesión y determinar un flujo base aproximado.

Para la determinación de efluencia e influencia de los cuerpos de agua respecto al acuífero evaluado, se deberán realizar aforos diferenciales en rangos conforme al siguiente detalle: microcuencas se deberán realizar entre de 50 y 100 metros espaciados longitudinalmente, en subcuencas entre 100 y 500 metros y en cuencas entre 500 a 1000 metros.

El rendimiento sostenible puede considerar como un balance hídrico donde se contempla el agua recargada, el flujo subterráneo, el agua extraída, retornos y la descarga que alimenta a los ecosistemas naturales. Se ha considerado que se puede dejar el flujo base y la descarga subterráneas como rendimiento sostenible, o también podría ser una fracción de la recarga. Sin embargo a partir del monitoreo se puede obtener un caudal de explotación mayor que provenga del flujo base o descarga del acuífero. Estos análisis serán definidos por parte de las instituciones que intervienen en la gestión de los recursos hídricos.

Intrusión Salina

Para tener mayor certeza a la hora de caracterizar zonas con intrusión salina, se recomienda utilizar relaciones físico-químicos como también utilizar el bromuro como elemento conservativo del agua de mar. En caso de existir otros agentes de contaminación debe ser considerados en los análisis, por ejemplo: excretas animales, aplicación de agroquímicos, rellenos sanitarios y basureros.

Para los estudios de intrusión salina se recomienda utilizar el método de Glover (6). En los casos, en donde el fondo de la perforación este por encima del nivel del mar, no es necesario aplicar las metodologías para el cálculo de intrusión salina, para ello se debe justificar mediante el modelo hidrogeológico conceptual y adjuntar perfil topográfico hidrogeológico, que permita concluir que conforme el nivel del agua subterránea no existe posibilidad de contaminación por intrusión salina.

En caso de no contar con información básica para la elaboración de los estudios de intrusión salina se podrán utilizar métodos indirectos como la geofísica o se deberán realizar pozos exploratorios.

Pruebas de Bombeo

• a)Todos los informes finales de los pozos, deberán adjuntar la interpretación de las pruebas de bombeo. Dichas pruebas deberán tener una duración mínima de 24 horas; sin embargo, para uso urbanístico (poblacional) la prueba deberá ser de 72 horas.
• b)En casos particulares, en los que se demuestre claramente con criterios técnicos hidrogeológicos, la duración de las pruebas podría ser de menor duración. Esto podría aplicar en áreas en donde no resulta conveniente extender el radio de influencia a una determinada distancia, como ejemplo en zonas costeras con riesgo de intrusión salina por largos bombeos, o por afectaciones a otras captaciones cercanas.
• c)Para acuíferos libres, se utilizará la metodología de Neuman (6), para acuíferos confinados Thies y Jacob (6) y para los semiconfinados se usará la metodología de Hantush (6).
• d)A partir de los datos de las pruebas de bombeo se determinaran los parámetros del acuífero, particularmente la transmisividad, conductividad hidráulica y coeficiente de almacenamiento (siempre y cuando exista un pozo testigo o de observación). En caso de que requiera el pozo de observación será definido por las instituciones públicas competentes.
• e)Se deberá presentar la curva de recuperación con un mínimo de 80%. Las pruebas de bombeo deberán entregarse a las instituciones públicas competentes en formato digital de hoja electrónica e impresa. También se adjuntaran: los datos de campo e interpretación de las pruebas.

Radios de influencia entre pozos y cuerpos de agua

• a)Acuíferos libres: utilizar la ecuación de flujo de Jacob (6).
• b)Acuíferos confinados: para estos casos aplicar los siguientes pasos: i) definir la red de flujo (modelo conceptual), ii) calcular la zona de captura del pozo (Q=T*i*L) y iii) calcular el descenso del pozo de bombeo a partir de la siguiente fórmula:

donde:

Δs=abatimiento (m) r= radio del pozo a perforar Q= futuro caudal de bombeo m3/d T= Transmisivilidad m2/d t=tiempo de bombeo (días) s=coeficiente de almacenamiento Para el caso de acuíferos confinados se aceptará la interferencia con otro pozo siempre que no supere un 25% del abatimiento del pozo de bombeo.

• c)Acuíferos semiconfinados: se deberá calcular la interferencia con los acuíferos superiores Hantush (6).

Zonas de recarga

Los métodos que serán aceptados para determinación de la infiltración de los suelos serán los siguientes:

• a)Método de anillos (Método de Kostiakov (13)): está diseñado para medir velocidad de infiltración, sin embargo cuando la velocidad está estabilizada se asume como la conductividad hidráulica del medio. Este método se utilizará básicamente estudios de balance hídrico (recarga acuífera) y además para el cálculo de tiempos de tránsito se deben realizar a una profundidad representativa del estrato geológico.
• b)Método de Porchet, Lefranc y Guelph (5-8-9): están diseñados para medir conductividad hidráulica y se emplea básicamente para estudios de cálculo de tiempos de tránsito. El método de Lefranc debe aplicarse dependiendo de la configuración del agujero y del factor de forma (ver tabla número 1).

Tabla 1 Pruebas de Conductividad Hidráulica Para todos los métodos anteriores (doble anillo, de Porchet y Lefranc) deberá considerarse el estado de saturación del suelo.

El método de pruebas de infiltración establecido en las normas de diseño de tanques sépticos para urbanizaciones y fraccionamientos del A y A: serán empleadas únicamente para esos fines (diseño del campo de drenajes de los tanques séptico).

Se debe presentar la memoria de cálculo impresa de cada prueba con sus respectivos datos de campo.

Los métodos que se recomiendan para determinar la conductividad hidráulica (acuífero) y que se utilizaran en la definición del modelo conceptual son:

a. Método de Lugeon (3) b. Slug Test (6) c. Pruebas de Bombeo

Cálculo de Tiempo de Tránsito de Contaminantes Orgánicos, Inorgánicos y Bacterias

R = retardación v = velocidad del agua vc = velocidad del contaminante n = porosidad % k = conductividad hidráulica (m/dia) pb = densidad del suelo (Kg/m3) Kd = parámetro de retardación del suelo en función de su textura Sin embargo para utilizar la ecuación anterior, se deberá realizar la determinación en el laboratorio del Kd (coeficiente de partición), en caso contrario deberá utilizar las ecuaciones de flujo de Darcy. Las ecuaciones de movimiento de contaminantes además de tomar en cuenta la heterogeneidad del medio, como las fracturas, macroporos, diaclasas y discontinuidades, también deberán considerar las propiedades intrínsecas de los compuestos, sean estas bacterias, compuestos orgánicos, químicos y pesticidas.

Métodos de Vulnerabilidad Hidrogeológica

Para determinar el análisis de peligro de contaminación por hidrocarburos, se utilizará la metodología combinada de tiempos de tránsito en la zona no saturada y el cálculo de la vulnerabilidad intrínseca por el método del GOD. Con el valor de los tiempos de tránsito calculados anteriormente, buscar en la tabla 2 el factor de seguridad y multiplicarlo por la vulnerabilidad intrínseca y finalmente obtenemos la vulnerabilidad específica final o peligro de contaminación.

Tabla 2 Valores del Factor de Seguridad para el Cálculo de la Vulnerabilidad Intrínseca del Acuífero para Hidrocarburos | >7500 | 7500- 5250 | 5250- 2000 | 2000- 750 | 750- 365 | 750-182 | 182-0 | Th (días) Tiempo de transito | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | 1,025 | 1,05 | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,5 | 1,7 | Factor Seguridad | SENARA (2005) (11).

En este tipo de estudios también deberá calcularse el desplazamiento y extensión de la posible pluma de contaminación:

D = 100*V / A * R * K D = profundidad m V = volumen del hidrocarburo (m3) A = área de infiltración (m2) R = capacidad de retención (l/m3) K = factor de protección de la viscosidad El factor k corresponde a 0,5 para gasolinas (hidrocarburos viscosas), 1,0 para gasóleos y 2,0 para hidrocarburos muy viscosos. R tiene valores, bloques y grava gruesa 5, grava y arena gruesa 8, arena gruesa-media 15, arena media a fina 25 y arena fina y limo 40.

También se propone la ecuación (Auge, 2004 (1)):

S = (1000*V -A*R*b*k)/ F S = máxima extensión del hidrocarburo sobre la superficie freática V = volumen de hidrocarburo infiltrado (m3) A = área de infiltración en la superficie (m2) R = capacidad de retención (l/m3) b = espesor saturado del acuífero (m) F = cantidad de hidrocarburo retenido por encima de franja capilar (l/m2 o mm) F para gravas 5, arenas medias 12, arenas finas 20 y limos 40.

Para los diseños constructivos de las estaciones de servicio, se deberá acatar la legislación vigente.

Para determinar el espesor de la zona no saturada "b", utilizada en los cálculos de los tiempos de tránsito, se deberá emplear el nivel de piso de la excavación donde se instalarán los tanques de almacenamiento de hidrocarburos hasta el nivel de agua subterránea.

Se deberán de construir piezómetros hidrocarburos u otros compuestos orgánicos, rellenos sanitarios, cementerios, bodegas de almacenaje de sustancias contaminantes y otros. Los diámetros de armado será de 75 milímetros (tubería plástica) como máximo y la profundidad de la perforación deberá estar 5 metros por debajo del nivel de agua subterránea (acuíferos más importante de la zona), utilizando el nivel de agua subterránea mínimo del período más seco. En cada caso se evaluará el método de perforación (sacanúcleos, rotación, percusión y otros), donde la ubicación estará en función de las características hidrogeológicas del medio. Se deberá colocar como mínimo 1 piezómetro aguas abajo y otros aguas arriba de la estación de servicio u otras actividades mencionadas anteriormente.

Zonas de protección de pozos

Se debe definir la zona de captura del pozo utilizando la ecuación analítica de Darcy (ancho y punto de no retorno) y una zona de protección bacteriológica (70 días en medios porosos y 100 días en medios fracturados) definida con la metodología de radio fijo:

r = (Q t / 3,1415 * n * b)0,5 (4) r = radio m Q = caudal m3/día n = porosidad del acuífero b = espesor del acuífero (m) t= tiempo (días de bombeo, 70 o 100 días) En la zona de captura delimitada se pueden permitir las actividades que dependiendo de la vulnerabilidad, amenaza y peligro no causen contaminación de los acuíferos.

El diseño de pozos debe contemplar todas las características definidas en el Reglamento de Perforación de Pozos para la Exploración y Aprovechamiento de Aguas Subterráneas vigente.

Los piezómetros de investigación para monitoreo de aguas subterráneas deben solicitar permiso según el Reglamento de Perforación vigente. En las zonas especiales de protección las instituciones solicitantes de los piezómetros deberán supervisar el diseño de los mismos.

En toda perforación para la extracción de agua subterráneas debe colocar una tubería de un diámetro de 3,81 centímetros con el objeto de medir los niveles de agua subterránea, éste debe ser instalado desde la superficie del terreno hasta dos metros debajo del nivel dinámico, así mismo debe dejar previsto un sistema de tubería que permita la medición de caudal, desde la superficie del terreno.

Bibliografía (1) Auge, M.; (2004): Hidrogeología Ambiental. Universidad de Buenos Aires, Argentina. 13-15 pág.

(2) Auge, M.; (2004): Vulnerabilidad de Acuíferos. Revista Latinoamericana de Hidrogeología, Buenos Aires Argentina. n.4 85-103 pág.

(3) Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas Y Mitigación de Desastres, (1992): Seminario Taller de Mecánica de Suelos y Exploración Geotécnica. Lima Perú. 27-37 pág.

(4) Chin, D.A.; (2000): Water-Resources Engineering. Prentice Hall. Upper Saddle River , New Jersey. 562-563 pág.

(5) Custodio, E. & Llamas, M.R.; (2001): Hidrología Subterránea, Segunda Edición. Editorial Omega. España. 345-346 pág.

(6) Fetter, C.W.; (1988): Applied Hydrogeology. Fourth Edition. Prentice Hill. Upper Saddle River, new Jersey. 150-218 y 327-337 pág.

(7) Gary, P. Curtis, Paul V. Roberts & Martin Reinhard; (1986): A natural gradient experiment on solute transport in a Sand aquifer 4. Sorption of organic solutes and its influence on mobility. Water Resources Research Vol. 22 Nº 13, 2059-2067 pág.

(8) J. Dafonte Dafonte, M. Valcárcel Armesto, X.X. Neira Seijo & A. Paz Gonzales; (1999): Análisis de los métodos de cálculo de la conductividad hidraílica saturada de campo medida con permeatro de Guelph. Estudios de la zona no saturada del suelo. Tenerife España. ISBN 84.

(9) Lambe, W.T., Whitman, R.V.; (1972): Mecánica de Suelos. Editorial Noriega Limusa. México D.F. 303-304 pág.

(10) Monsalve, G.; (1999): Hidrología en la Ingeniería. 2ª. Edición, Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. ALFAOMEGA. 182 pág (11) SENARA (2009): Procedimiento técnico para el análisis de los trámites de hidrocarburos (tanques de autoconsumo y estaciones de servicio). Documento Interno de la Dirección de Investigación y Gestión Hídrica DIGH.

(12) Shosinsky, G.; (2006): Cálculo de la Recarga Potencial de los Acuíferos mediante un balance hídrico de suelos. Revista Geológica de América Central 34-35:13-30 pág.

(13) Warren F. (1980): Manual de Laboratorio Física de Suelos. Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas. 158-169 pág.