Prospección de acuíferos a través de las tomografías de resistividad eléctrica (TRE), en el Departamento Norte de Santander. Para la perforación de pozos profundos como alternativas de riego

INTRODUCCIÓN

Las acciones antropogénicas acumuladas a través de las décadas se ven reflejadas en el déficit hídrico que ha sufrido el departamento Norte de Santander, y en especial la zona arrocera desde el año 2012 pasando por el reciente fenómeno del niño que para el departamento termino a mediados del 2016 en donde se evidencio, la necesidad de buscar fuentes nuevas y urgentes de agua para atender los cultivos establecidos; el distrito de riego del rio Zulia no puede suplir las necesidades de agua, por cuanto los caudales de los ríos Zulia y Pamplonita registran valores por debajo de la concesión establecida con la corporación para el suministro a los usuarios, esto ha llevado a incrementar los periodos de veda para las siembras reflejado en las siembras fuera de la época de mayor oferta ambiental, afectando más de cuatro mil hectáreas de arroz. Fedearroz en la implementación del programa AMTEC propone el uso racional y la necesidad de derivar menos agua para el cultivo impulsando entre otras medidas la reducción de la inundación, el riego intermitente por mojes, aumento de la retención de la humedad y la reducción de la labranza en los suelos arroceros.

Mediante actividades de transferencia de tecnología y en cooperación con la empresa Subsoil Geophysics SAS (SUBGEO) se capacito a los productores sobre el método tomografía de resistividad eléctrica (TRE) para la prospección de acuíferos en la zona arrocera, en los eventos se captó el interés y la expectativa de los productores quienes invirtieron en estos estudios ya que requieren de alternativas de riego urgentes y diferentes a las actuales para los cultivos de arroz, cacao, palma, frutales y ganadería.

Se adelantaron 10 estudios representados en tomografías, este método utiliza la técnica de prospección geoeléctrica y se basa en obtener una sección 2D de resistividades reales del subsuelo y transformarlas de resistividades aparentes a valores reales. La profundidad de la investigación vario para cada sitio, y se comparó los resultados utilizando tres arreglos o dispositivos electródicos lineales para corroborar la precisión de cada estudio los datos se presentaron a través de imágenes que muestran la composición del subsuelo e indica con gran precisión el sitio georrefenciado para adelantar la perforación del pozo profundo.

El modelo de tomógrafo utilizado (Terrameter LS/para SEV) no indica la cantidad de agua que posee el acuífero, señala el acuífero con alta confiabilidad y la profundidad a la que se encuentra

2. MARCO TEORICO.

2.1 El método tomografía geoeléctrica.

La palabra tomografía viene del griego τομον que significa corte o sección y de γραφ?ς que significa imagen o gráfico y es la obtención de imágenes de cortes o secciones y en este caso del suelo. El método de tomografía eléctrica de resistividad (TRE), es una técnica de prospección geoeléctrica que se ha utilizado en los últimos años con buenos resultados principalmente en la identificación de unidades litológicas o estructuras geológicas en áreas de anomalías complejas en ramas de la ingeniería y la hidrología.

Este método desde el principio físico se basa en la resistividad eléctrica que se refiere a la dificultad que encuentra la corriente eléctrica cuando pasa por un material determinado, mediante un dispositivo electródico, se inyecta una corriente estacionaria a través de un par de electrodos puntuales (C1 y C2) y se lee la diferencia de potencial entre otro par de electrodos [P1 y P2]. La relación de estas dos magnitudes proporciona una resistividad aparente, que depende de la resistencia de los materiales presentes en el subsuelo, permite investigar la variación de la resistividad del subsuelo a profundidad y lateralmente.

TER es una técnica de resistividad multielectródica, cuyo arreglo geométrico varía dependiendo del objetivo del estudio. Con las mediciones adquiridas se construye una sección en dos dimensiones (2D) que muestra una primera aproximación de los cambios en el subsuelo a partir del cual podremos determinar presencia o no de filtraciones de agua en profundidad, mediante la localización de áreas en donde tengamos una disminución anómala del valor de la resistividad en el terreno (UPC, 2010).

Para esto es necesario aplicar un algoritmo de inversión que transforma las resistividades aparentes obtenidas en campo a valores reales y obtener la distribución real de resistividades o imagen eléctrica, Imagen, que será un resultado interpretable desde un punto de vista físico y geológico, y que dará información sobre las características físicas del subsuelo.

2.2 La Profundidad de Investigación.

Roy (1972) calcula curvas para varios arreglos de electrodos convencionales (incluyendo Wenner, Schlumberger y dipolo- dipolo) que muestran la respuesta de una capa delgada horizontal con profundidad variable. El punto donde estas curvas alcanzan un punto máximo de profundidad se define como" profundidad de investigación. En la práctica, la profundidad de la investigación depende, por supuesto, de las capas del subsuelo, de la configuración geométrica, de la adquisición y separación de los electrodos (Barker, 1991).

2.3 Dispositivos electródicos lineales.

El principio de los cuatro electrodos se denomina cuadripolo o tetrapolo, inicialmente los cuatro electrodos pueden adoptar cualquier disposición geométrica sobre el plano que representa la superficie del terreno (Orellana, 1982). De las diferentes configuraciones o arreglos posibles que ofrece la TRE se han elegido tres, Wenner, Schlumberger y Dipolo-Dipolo, por sus diferentes características y cuyo común denominador es el espaciamiento entre electrodos. En función del espaciado entre electrodos puede establecerse una relación entre la profundidad de investigación y la resolución. A mayor espaciado de electrodos la profundidad alcanzada es mayor aun cuando la resolución disminuye, algunas características de los arreglos se explican a continuación y se representan en la figura 1.

2.3.1 El arreglo Wenner “normal” o también llamado Wenner alfa, fue utilizado por primera vez por el grupo pionero de investigación de la Universidad de Birmingham. Los electrodos se mantienen equidistantes, con una longitud de dipolo de “a”, se mueven sobre una línea con la disposición de C1-P1-P2-C2, aumentando el espaciamiento “n x a”, donde “n” es el factor de separación del dipolo o comúnmente llamado nivel de estudio (Loke, 2001). Apropiado para resolver cambios verticales (estructuras horizontales) es deficiente para detectar cambios horizontales (estructuras verticales). Profundidad media de investigación es aproximadamente 0,5 veces el espaciamiento “a”

2.3.2 Schlumberger. La disposición de los electrodos es la misma que en el arreglo Wenner, con la diferencia de que el factor “n” para este arreglo es la relación de distancia entre C1-P1 (o P2-C2), (Loke, 2001). Moderadamente para estructuras horizontales (“n” valores menores) y verticales (“n” valores mayores). La intensidad de la señal es inversamente proporcional al cuadrado del factor “n”. La profundidad media de investigación es aproximadamente 10% más profunda que el arreglo Wenner

2.3.3 Dipolo- Dipolo Fue creado por Al´pin (1966) y utilizado en estudios de resistividad y de Polarización Inducida (IP), gracias al bajo acoplamiento entre los circuitos de corriente y potencial. La geometría es C2-C1-P1-P2, en principio la distancia es equidistante entre los electrodos “a”, pero incrementa en “n x a” en C2-C1 y P1-P2, (Loke, 2001). Altamente sensitivo a los cambios horizontales (estructuras verticales). Deficiente para detectar cambios verticales (estructuras horizontales). Baja intensidad de señal para valores grandes del factor “n”. El voltaje es inversamente proporcional al cubo del factor “n”. La profundidad media de investigación depende del espaciamiento “a” y el factor “n”

Figura 1: Arreglos en los dispositivos electrónicos lineales

Prospección de acuíferos a través de las tomografías de resistividad eléctrica (TRE), en el Departamento Norte de Santander. Para la perforación de pozos profundos como alternativas de riego - Image 1

3. MATERIALES Y MÉTODOS

El tomógrafo utilizado para los estudios de prospección en la zona arrocera del departamento, es un equipo (ABEM, 2013) modelo Terrameter LS/para SEV (sondeo eléctrico vertical) y geo tomografías en 2D, (figura 2), este, genera tomografías eléctricas verticales y se puede realizar perfiles comprendidos entre los 1600m de longitud y una profundidad de 400m. La unidad central (resistívimetro) es el cerebro de todo el dispositivo y se encarga de ejecutar en forma automática toda la secuencia de medidas predeterminadas, verificar el buen estado de las conexiones, así como, almacenar digitalmente todos los resultados de campo.

Figura 2. Equipos utilizados en la prospección de acuíferos en municipios arroceros, en el departamento Norte de Santander.

Los electrodos, son barras metálicas cuyo número varia en función del objeto del estudio. El cable, de gran longitud con conexiones cada cierto intervalo a fin de poder conectar los electrodos. Los conectores, son pequeños cables de cobre con pinzas en los extremos que se encargan de conectar los electrodos al cable. El ordenador portátil, en él se tiene el software que permite determinar las variaciones de trabajo, tipo de dispositivo electródico, número de electrodos, espaciado entre ellos, numero de medidas a realizar y permite procesar y visualizar los resultados obtenidos, este conectado a una batería como fuente de alimentación de todo el sistema (figura 3)

Figura 3. Esquema de Instalación del equipo TER en los campos de estudio.

Teniendo en cuenta el interés y las expectativas de los productores arroceros se realizaron 11 tomografías en tres municipios del departamento, buscando otras fuentes de riego, en el municipio de Cúcuta 8 en las zonas de: Banco de Arena, Aguaclara y San José de la Vega, en el municipio de El Zulia 1 y otra en el municipio de Los Patios. Estos estudios permitieron con alta confiabilidad ubicar los acuíferos para la perforación de los pozos profundos.

Las prospecciones se realizaron a una distancia entre dos puntos (P1, P2) de 800 y 1600m dependiendo del tamaño de la finca y, un espaciado entre electrodos de 20m obteniendo una profundidad de investigación hasta de 400m; a los datos obtenidos se aplicó un algoritmo (Conjunto ordenado de operaciones sistemáticas que permite hacer un cálculo y hallar la solución de un tipo de problemas) de inversión para transformar las resistividades aparentes obtenidas en campo a los valores reales y obtener la distribución real de resistividades o imagen eléctrica cuyas unidades se expresan en ohmios por metro ( Ohm/m o ?m) Estas Imágenes (tomografías),se interpretaron desde el punto de vista físico y geológico que indicaron las características físicas del subsuelo obteniendo los puntos georreferenciados con mayor porcentaje de confiabilidad y mínimo error permisible, para cuando se quiera realizar la perforación del pozo profundo.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se muestran los resultados autorizados de algunos de los estudios y solamente un ejemplo de comparación de los arreglos electródicos para una de las fincas, detallando las características físicas del subsuelo, la resistividad en los materiales y el punto donde se encuentra el acuífero para la perforación con alta confiabilidad del pozo profundo.

4.1 Prospecciones en el municipio de Cúcuta.

En las zonas de Banco de Arena y Aguaclara se realizaron tres estudios: en la finca La Arenosita de Celmira Peñaranda, en la finca La Hacienda de Jairo Díaz) y en la Finca Las Delicias de Omar Álvarez como aparecen los puntos como estrellas rojas en el mapa de la figura 4 (Ingeominas, 2011).

Figura 4. Mapa geológico de ubicación de las prospecciones de acuíferos en tres predios de estudio

La Finca la Arenosita se encuentra ubicada en el corregimiento de Banco de Arena del municipio de Cúcuta, con dedicación al cultivo del arroz. La zona presenta alto déficit hídrico ya que las fuentes de agua que abastece al cultivo provienen de: aguas lluvias o residuales a través de caños, de bombeo directo del rio o extraída a través de pozos superficiales menores a 10 metros denominados puntillos, estas fuentes reducen su capacidad de suministro cuando los caudales del rio se reducen. El estudio se realizó a una distancia longitudinal de 800m y una profundidad de 154,4 m.

En la figura 5 se observan los resultados de la finca la Arenosita en la cual se comparan los tres dispositivos electródicos lineales. En ellos, los colores y sus respectivos valores en los mapas indican la resistividad de cada material; en los dispositivos Schlumberger y dipolo dipolo la presencia del acuífero aparece en color verde limón, en Wenner en color marrón, pero con valores similares de resistividad para los tres. Las tres configuraciones coinciden en el sitio de ubicación de los acuíferos, pero con mayor exactitud en la configuración Schlumberger se muestra el punto de exploración.

En la figura 6 observe el arreglo Schlumberger quien resume las resistividades medidas en ohmios metro (?m), que oscilan entre 5,5?m y 605?m, de acuerdo al material en el subsuelo el que se compone de: capas de material vegetal, intercaladores de gravas, arenas gruesas y medias, los valores más altos de resistividad (en colores rojizos) corresponden a agregados muy duros (cantos, piedras, arenas, etc.), estos cambian cuando se realicen tomografías en otros sitios. Allí se indica con certeza del 93,8% el sitio de exploración del pozo profundo (Se1); el acuífero se indica en color verde limón en un rango de resistividades entre 20,9?m y 80,4 ?m;

El predio geológicamente se halla en un sitio ideal para la extracción del agua subterránea, debido a que se encuentra sobre depósitos aluviales del periodo cuaternario; hidrográficamente la zona se encuentra situada sobre la cuenca del río Zulia la cual sirve como zona de recarga para el acuífero encontrado.

En la finca La Hacienda del corregimiento de Agua Clara el estudio se realizó en una longitud de 850m, con espaciamiento de electrodos a 10m y a una profundidad de 120m.

En la tomografía (figura 7), se aprecia la resistividad y el espesor a alta resolución con una confiabilidad del 97,7 %. En la longitud, los valores de resistividad son entre 20,7 ?m y 366 ?m y corresponde a materiales tales como arcillas, limos, arenas, gravas y cantos rodados; los valores de 107 ?m a 366 ?m se relaciona con rocas duras de resistividad alta representado por los colores verde y vinotinto con cantos de 10 a 20 cm de diámetro y esporádicos bloques posibles.

Los valores de resistividad entre 20,7 ?m a 70,8 ?m a profundidades entre los 20m y 191,1m están asociadas con la formación acuífera semiregional y semiconfinado representado en color azul celeste. En esta finca, hay agua muy cerca de la superficie hasta los 120m de profundidad y el punto ideal de perforación corresponde al punto Pe1(con sus respectivas coordenadas), como se observa en la figura.

En La finca Las Delicias en una longitud de 800m los valores de resistividad entre 21,8 ?m a 31,1 ?m a 25 m de profundidad corresponde a resistividades asociadas con la unidad Qlla del periodo cuaternario (figura 8). Se relacionan estratos permeables saturados de arenas con distintas granulometrías desde areniscas finas a conglomerados de matriz arenosa representada en colores azules. Los valores mayores a 37,3 ?m pertenecen al grupo guayabo conjunto arenoso Tmg2 que corresponde a areniscas desde finas a gruesas intercaladas con conglomerados polimicticos. Constituye un acuífero de tipo regional semiconfinado a libre y sus características químicas serian de aguas potables. Por la conformación longitudinal del acuífero se presentan tres posibles puntos de perforación del pozo (Pe1, Pe2 o Pe3), buscando resistividades medias-altas, las cuales corresponderían a aguas subterráneas de mejor calidad y estratos permeables.

En la vereda de San José de la Vega los 65 productores están agrupados en la asociación de usuarios de la Vega (ASUVEGA) conformada desde hace más de 15 años y comprende predios desde tres hasta diez hectáreas en una extensión total de 4540 has.

Ellos, después de recibir la capacitación por parte de Fedearroz-FNA decidieron adelantar los estudios de prospección pensando en el déficit hídrico que hoy y a futuro inmediato afecten su actividad. Los estudios de prospección se realizaron paralelos a la infraestructura de riego ya existente, pensando en la facilidad del bombeo del agua cuando se requiera.

Figura 9. Mapa geológico de ubicación del estudio, Asuvega

Los predios pertenecientes a ASUVEGA, se encuentra sobre rocas del periodo cuaternario asociadas a unidades de Terraza (Qt), llanura aluvial(Qlla) y rocas del mioceno pertenecientes al Grupo Guayabo(Tmg): conjunto Arenoso (Tmg1) y Grupo Guayabo conjunto Arcilloso (Tmg2). Ests unidades cuaternarias y terciarias exhiben condiciones favorables para el almacenamiento y extracción aguas subterráneas debido a que sus sedimentos se encuentra poco consolidados (cuaternarios) y fracturados (Terciarios) debido al pliega miento de las rocas subyacentes al encontrarse formando parte del sinclinal de Zulia, figura 9,.

Cinco tomografías se realizaron a lo largo del canal de distribución (figura 10): La tomografía 1 (T1) de 1400 metros de longitud arrojo un valor promedio de resistividades entre 10– 146Ωm, de acuerdo al modelo obtenido, valores de resistividad comprendido en este rango, corresponden a materiales tales como arcillas, limos, arenas, gravas y cantos rodados. Los valores de resistividad entre 18 a 67 Ohm/m entre los 25 y 300 metros de profundidad, están asociados con la formación acuífera (Tmg2); en las gráficas se presentan los puntos de perforación marcados como Pe1 y Pe2.

La tomografía T2 de 1600 metros de longitud arrojo resistividades entre 9– 98.6Ωm y la formación acuífera está entre los valores de 25 a 98 Ohm/m de resistividad hasta los 70 metros, se presenta a lo largo de todo el perfil formando una pequeña capa saturada entre las cotas 50 y 60 metros. No obstante, hacia el sureste la formación acuífera toma una profundidad de 110 metros aproximadamente.

El tercer estudio muestra en la tomografía T3 de 1600 metros de longitud promedios de resistividades entre 4.9– 98.4Ωm con formación acuífera entre 27.2 a 98.4 Ohm/m hasta los 80 metros. En la T4 a la misma longitud el promedio de resistividades está entre 8 Ωm y 92Ωm y la formación acuífera se ubica entre 23.2 y 92 Ωm y par a la T5 de igual longitud la formación acuífera esta de 24.2 a 85 Ωm como se observa en la figura 10

4.2 Tomografía en el municipio de Los Patios.

La zona arrocera de este municipio corresponde a un área de 500 has y está localizado a 450msnm proporcionando condiciones de radiación y temperaturas ideales para el cultivo, esto hace que su periodo vegetativo sea mayor y de igual manera su potencial de rendimiento. La fuente de agua para las siembras del arroz es el rio pamplonita que, de igual manera, surte las necesidades de la población de los municipios de Los patios y de Cúcuta, conllevando a la restricción en las siembras por el bajo caudal del río. Por tal razón se adelantó el estudio de prospección para determinar el sitio y condiciones del terreno para la perforación de pozos como alternativa de riego complementario.

Este informe Geológico se desarrolló con base en datos adquiridos por la empresa SUBSOIL GEOPHYSICS SAS, mediante una tomografía geoeléctrica en el área de la Finca los Vados del municipio de Los Patios, en el departamento Norte de Santander. La tomografía se realizó a 1600 metros de longitud y 240m de profundidad, los rangos de resistividades oscilaron entre 12.2 Ωm a 240Ωm que corresponden a materiales tales como arcillas, limos, arenas, gravas y cantos rodados.

El perfil muestra la siguiente agrupación y distribución de valores de resistividad de techo a la base: de 103 Ohm/m a 240 Ohm/m y hasta los 25 metros de profundidad se relaciona con rocas duras de resistividad alta, asociadas a cantos posiblemente de 10 a 20 cm de diámetro; hay también bloques escasos hacia el sur oeste del perfil y se observan en la tomografía de la figura 11 en los colores amarillo a vinotinto.

Los valores de resistividad 18 Ohm/m a 67 Ohm/m entre 25m y 300m de profundidad corresponde a asociadas con la formación acuífera (Tmg2), y se correlacionan estratos permeables saturados de arenas desde finas a gravas intercaladas con lentes de arcillas, limos y cantos rodados y, resistividades de 12 Ohm/m corresponde a capas de arcillas limosas integradas con capas de arenitas finas de espesor mayor a 10 metros, localizadas hacia el sur oeste del perfil y representadas en color azul oscuro.(Tmg1).

A lo largo de los 1600 m estudiados, se encontraron distintas litologías que podrían contener estratos saturados de 25m hasta 240m aproximadamente, dando como resultado: un acuífero de extensión local a semiregional, semiconfinado cuyas características hidráulicas y producción del pozo podrán solo ser determinadas por medio una prueba de aforo o bombeo. En el estudio se proponen dos sitios ideales para llevar a cabo la perforación exploratoria (Pe1 y Pe2), en estos sitios, se buscan las resistividades medias-altas que corresponderían a aguas subterráneas de mejor calidad y estratos permeables.

HACIA LA CONSRUCCION DE LOS POZOS PROFUNDOS

Para los eventos de socialización de los métodos de prospección de acuíferos a los productores arroceros del departamento, se invitó a los delegados de la Corporación Autónoma regional de la frontera (CORPONOR) quienes manifestaron la importancia de adelantar proyectos comunitarios de perforación, y con estos estudios técnicos se pueden adelantar los respectivos permisos y trámites para la concesión de aguas.

A la fecha con estos estudios, se adelantan tres perforaciones para suplir las necesidades del cultivo del arroz.

En términos generales, para la construcción de un pozo comprende varias etapas de gran importancia como los estudios de prospección (tomografías en 2D o 3D), perforación exploratoria con maquinaria especializada, registro eléctrico, diseño del pozo (análisis de muestras), construcción (perforación), limpieza (remoción de sedimentos) y prueba de bombeo para aforar el pozo (figura 12)

Figura 12. Proceso de estudio y perforación de pozos profundos

Unido a la necesidad de nuevas fuentes racionales de agua para el cultivo va la pronta necesidad del uso de energías limpias como la fotovoltaica para las necesidades de la finca ya que en todas las zonas arroceras hay importantes valores de incidencia y se convierte en proyectos ambientalmente sostenibles. Muy pronto los avances tecnológicos permitirán tener en el país tomógrafos que permitan calcular la cantidad de agua almacenada en el acuífero. También ha habido grandes avances en los sistemas de perforación los cuales deben contratarse con empresas reconocidas. Los costos de la construcción de un pozo profundo entubado y aforado sin incluir el costo de la bomba que están representados en mano de obra, materiales, transporte y otros valores adicionales oscila entre 1,2 y 1,4 millones COP/m para 16” de diametro.

CONCLUSIONES

La instrumentación usada para registrar los datos Geofísicos, permitieron medir las resistividades de las rocas en el subsuelo y representarlas a través de tomografías (TRE) que dan información valiosa para la perforación de los pozos. Las TRE proporcionan un valor agregado a las fincas ya que advierten sobre la existencia de fuentes de agua bajo el subsuelo.

Cada estudio representado por las imágenes muestra con alta precisión aquellos sitios georreferenciados en los cuales se encuentra la mayor capacidad del acuífero. Estos estudios a diferentes distancias dan a estar al tanto de la existencia de un gran depósito de agua ubicado debajo de toda la zona arrocera que en forma racional se debería explotar para que en las épocas de fuertes estiajes se pueda cultivar.

Fedearroz, con el programa AMTEC propende por el uso racional del agua e implementa mediante el uso adecuado del tamo, la adición de materia orgánica y la descompactación la capacidad de retención de humedad en el suelo para reducir el consumo. Se busca la meta de bajar el módulo de riego <1m³.seg^-1.ha^-1sin alterar los parámetros de crecimiento y desarrollo del cultivo, también, se procura interesar a los productores para que inviertan en proyectos de perforación de pozos profundos y en la búsqueda de alternativas energéticas como la energía fotovoltaica para el bombeo.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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