Galerías filtrantes

Las galerías filtrantes, también llamadas túneles subterráneos o minas de captación de agua, representan un método ancestral de aprovechamiento de aguas subterráneas, sobre todo en regiones donde las fuentes superficiales han sido escasas. Entre las más antiguas están las de Qaná, Jericó, Jerusalén, Marrakech, etc. También hay antecedentes en la historia de este tipo de obras como los conocidos “qanats” (Persia, India, Grecia, entre otros), canales subterráneos artificiales que transportaban el agua a grandes distancias y los “foggaras” del Magreb. También existen otros ejemplos como la de los “eres” canarios, excavaciones sencillas en los subálveos de los barrancos (SANTAMARTA y SUÁREZ 2015) o, como hace más de 1.500 años en la cultura Nazca, quienes construían galerías de filtración para irrigar sus campos agrícolas y que aún, hoy en día, se siguen utilizando (CEPIS 2002).

Las galerías filtrantes sirven para captar fuentes subterráneas; en muchos casos, se habla hasta de aguas subsuperficiales o subálveas, es decir, aguas subterráneas que corren por el subálveo (bajo la corriente) del río y que han sufrido un proceso natural de filtración por lo que se consideran de muy buena calidad (AGUAS DEL NORTE, s.f.). Esta captación se lleva a cabo a través de una estructura u obra hidráulica compuesta por uniones de tuberías con ranuras o perforaciones o un drenaje/túnel de bloque, colocado horizontalmente (lo que las diferencia de los pozos que son verticales). La mayoría de las veces transcurre por debajo del nivel freático con suelos permeables o por debajo del nivel del agua en un río, permitiendo así la recolección de agua a lo largo de toda su extensión. Dicha estructura está rodeada por un material granular (grava y arena) que no sólo mejora la infiltración, sino que también impide que las partículas más grandes bloqueen las perforaciones. Finalmente, el agua recogida va a un pozo o tanque recolector desde donde se conduce para su aprovechamiento (CARE/AVINA 2012; CEPIS 2002; WHO 1996).

Para obtener un buen funcionamiento de las galerías filtrantes se requiere que se planifiquen bien las diferentes etapas que conllevan a su construcción. Todo ello dependerá de aspectos como: tipo del material a excavar; consolidación o dureza del suelo; dirección, velocidad del movimiento y profundidad de las aguas subterráneas; composición física, química y bacteriológica del agua, etc. Por ejemplo, en lo que respecta a la consolidación, las galerías filtrantes pueden construirse en rocas volcánicas, plutónicas, metamórficas, sedimentos consolidados o carsificados (en menor grado) y, en especial, en rocas no consolidadas (materiales sueltos como arcilla, arenas, gravas, etc.), ya que el agua subterránea fluye con más facilidad a través de los espacios que hay entre los granos. Igualmente, mejoran la disponibilidad de agua tanto en períodos secos (ya que las aguas subterráneas circulan por el material aluvial que conforma el valle del río) como en períodos lluviosos, cuando se recarga el acuífero gracias al caudal superficial del río (CEPIS 2002).

Una vez conocidos estos aspectos, se pueden empezar a definir criterios como dónde ubicar la galería, su dirección u orientación, diámetro y pendiente. Los criterios de ubicación básicamente dependen de los requerimientos de agua que necesite la comunidad; por ello, es necesario ubicar un acuífero que garantice el funcionamiento del sistema durante todo el año, por lo que debe tener recarga hasta en momentos más críticos de sequía, ya sea de agua superficial o subterránea. Por ello, las galerías filtrantes suelen estar ubicadas cerca ríos y lagos, buscando que el nivel freático esté lo más cerca que se pueda de la superficie para evitar hacer excavaciones muy profundas debido a las dificultades y costos que esto acarrea (CEPIS 2002; PRONAR s.f.). SMET and WIJK (2002) señalan que estos sistemas deben usarse solamente cuando “el nivel freático esté a poca profundidad, no más de 5 a 8 m por debajo de la superficie del suelo”.

Las galerías filtrantes se pueden clasificar en 4 categorías: zanjas o trincheras; drenes; galerías propiamente dichas o túneles; y captaciones mixtas. Las zanjas o trincheras son las más fáciles de construir; precisan que el agua subterránea se encuentre cerca de la superficie del suelo (< 6 m); tienen una larga vida útil, así como gran capacidad. Como inconvenientes hay que resaltar que, al estar abiertas, no están protegidas, lo que las hace más propensas a contaminarse, tener problemas de erosión, crecimiento de algas y obstruirse debido a la vegetación. Este tipo se usa sobre todo para riego (CEPIS 2003b; SMET and WIJK 2002).

En segundo lugar, los drenes pueden ser de dos tipos: perforaciones horizontales (drenes californianos), o bien excavaciones en zanjas donde se colocan tuberías con perforaciones o ranuras que permiten el ingreso de agua subterránea. Los drenes se instalan en la parte húmeda del acuífero y se cubren con un material filtrante que garantice su buen funcionamiento. Las tuberías suelen tener un diámetro superior a 20 cm y se colocan con pendientes para conducir el agua por gravedad hasta un tanque o pozo colector (CEPIS 2003b; PÉREZ DE LA CRUZ 2011).

En tercer lugar, las galerías propiamente dichas o túneles son parecidas a los drenes por excavaciones en zanjas pero con la diferencia que, en vez de tuberías, son túneles con dimensiones suficientes como para permitir la entrada tanto de equipos y personas encargadas de su construcción y posterior mantenimiento. Las excavaciones suelen iniciarse con una boca de entrada (pozo de visita) y tener varios pozos de ventilación a lo largo de la extensión del conducto (galería). La parte superior de la galería está ubicada en la zona húmeda, mientras que la parte inferior está por debajo del nivel de agua en la zona de saturación (CEPIS 2003b; PÉREZ DE LA CRUZ 2011). La construcción tanto de este tipo de galería filtrante como la de los drenes es costosa y el diseño es complicado, por lo que se requiere de un profesional capacitado. La mayor ventaja que tienen es que el agua que recolectan está protegida de posibles contaminantes por ser obras que están completamente bajo tierra (SMET and WIJK 2002).

Por último, las captaciones mixtas son una combinación entre las galerías propiamente dichas y los drenes con captaciones verticales (pozos) que se construyen en casos donde las aguas subterráneas se encuentran a mucha profundidad. Se hace un pozo vertical hasta el punto donde se encuentra el nivel freático y desde allí se realizan uno o más emboquillados o bocas de entrada en sentido perpendicular a la dirección del flujo de las aguas; son los llamados pozos radiales o pozos Ranney (CEPIS 2003b).

Para poder diseñar una galería filtrante, se precisa de: plano cartográfico de la zona; plano geológico y perfiles transversales, perfil estratigráfico; mapa de niveles de las aguas subterráneas y de su variación en el año hidrológico; parámetros hidrogeológicos determinados por ensayos de bombeo; y, análisis físico-químico y bacteriológico del agua. De igual manera, es recomendable realizar un reconocimiento in-situ de la zona para observar aspectos como el relieve, afloramiento de rocas, posibles fuentes de contaminación, etc. y, también, definir la mejor ubicación de la galería y la profundidad con el fin de poder garantizar el un aprovechamiento de agua continuo durante todo el año, incluso en condiciones de sequía (CEPIS 2003a). El rendimiento de las galerías filtrantes va a depender de parámetros como: el coeficiente de permeabilidad promedio del acuífero y el espesor del mismo, siendo el primero el que influye directamente en todos los tipos de galerías y cuyo valor variará de acuerdo a factores como: la forma, disposición y tamaño de los granos del filtro; y, la viscosidad y densidad del fluido (MONTEMAYOR y BARAHONA 1979). Una vez que recopilados estos datos, se procede a diseñar los elementos básicos que componen a las galerías filtrantes, es decir:

Conducto colector: se refiere a la galería en sí o al tubo por el que se infiltra y se conduce el agua. En su punto inicial se suele construir un pozo de visita, y en el final ha de haber un pozo colector. Las dimensiones internas del conducto van a estar regidas más por su funcionalidad en el momento del mantenimiento, que por razones técnicas, ya sea para que permita la entrada de una persona o para que se pueda operar con herramientas de limpieza. Para su diseño se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos (CEPIS 2003a):

• La capacidad ha de ser suficiente para que escurra el caudal del diseño, por lo que el diámetro mínimo del conducto debe estar entre los 20 y 25 cm. Si la galería es larga, se pueden usar distintos diámetros, más que nada porque en los tramos iniciales no se necesita una alta capacidad de conducción.
• El material no ha de afectar a la calidad del agua y ha de causar mínimos valores de pérdidas de carga por fricción. En tubos suelen usarse los de PVC, hierro fundido, hormigón y asbesto cemento.
• La pendiente ha de facilitar la autolimpieza, evitando así que se sedimenten materiales finos que puedan entrar al conducto; para ello, la velocidad de escurrimiento del agua debe ser aproximadamente de 0.60 m/s.
• Área abierta o perforaciones en el conducto suficientes, con el fin de que el agua pase del acuífero a su interior a una velocidad tal que evite el arrastre de partículas finas. Los valores de velocidad recomendados van desde 2.5 cm/s hasta 10 cm/s, con un coeficiente de contracción de entrada por orificio de 0.55 (coeficiente de contracción es la relación entre el área de la sección recta contraída de una corriente y el área del orificio través del cual fluye).
• Distribuir de forma uniforme en el área perimetral del conducto las aberturas evitando la creación de zonas débiles por donde podría fallar la galería; el máximo porcentaje de área perimetral abierta dependerá del tipo del material del conducto, sabiéndose que, a mayor resistencia del material, mayor será el área abierta, siendo aproximadamente 3.0% el valor que se establece.

Forro filtrante o filtro: es el componente más importante de las galerías filtrantes debido a que será el responsable del buen funcionamiento de todo el sistema. Su función es impedir que el material fino que proviene del acuífero penetre al interior de la galería, lo que se logra a través de un conjunto de capas (de mayor a menor tamaño) de grava de diferente granulometría, producto de la excavación previa que se realizó en la apertura de la zanja donde irá el conducto colector. El material recogido se clasifica, para luego ir formando capas concéntricas del filtro con un espesor que no exceda los 15 cm cada una, aunque, para evitar que durante la fase de construcción queden espacios sin recubrimiento, se pueden emplear espesores mayores. Por la dificultad de construir capas circulares, es factible hacerlas más o menos cuadradas, como puede verse en la siguiente figura (CEPIS 2003a; PRONAR s.f.):

Pozo colector: la función de este componente es recibir el agua que se escurre por la galería filtrante y desde donde se puede extraer por medio de bombas, en el caso de un pozo. En muchos otros casos, y con el fin de evitar costos por concepto de bombeo de agua, la galería termina en una cámara o tanque como en el caso de captación de manantiales, desde donde el agua puede aprovecharse directamente o ser conducida por gravedad hasta un tanque de almacenamiento. Los pozos pueden ser circulares o rectangulares, con las dimensiones suficientes como para permitir que una persona pueda realizar trabajos de mantenimiento de la galería o conducto y del mismo pozo. Los acabados de las paredes, así como del fondo, deben ser impermeables y el material utilizado en su construcción debe ser de concreto reforzado. La parte superior ha de contar con una tapa de concreto o hierro, y también una elevación por encima del nivel máximo que alcanzan las aguas en el caso de que la galería filtrante se encuentre en una zona propensa a inundaciones, para evitar así la entrada de agua o de posibles contaminantes al agua captada. Dependiendo de la profundidad, puede ser necesario instalar unas escalinatas para facilitar el descenso al fondo del pozo. Es recomendable que el fondo del pozo esté a unos 60 cm por debajo de la boca de salida del conducto colector, para que se sedimente o acumule la arena que pudiese ser arrastrada por las aguas captadas (CEPIS 2003a; PÉREZ DE LA CRUZ 2011). 

Pozos de inspección: sólo es factible para casos donde la galería sea de gran longitud, por lo que desde el pozo de visita (en el extremo donde se empieza el conducto colector) se hacen otras cámaras que sirven no sólo para verificar el correcto funcionamiento de la estructura, sino también para realizar más fácilmente el mantenimiento requerido. La separación entre ellos varía según el diámetro de la galería: para diámetros de hasta 20 cm, deben estar a 50 m; para diámetros mayores a 20 cm, la distancia debe ser de 100 m. Tanto las paredes como el fondo de estos pozos deben estar impermeabilizados, como ocurre en el pozo colector, y deben cumplir los mismos requerimientos respecto a la tapa superior (CEPIS 2003a). 

La mayoría de las galerías filtrantes se construyen haciendo uso de los materiales locales (piedra, arena, grava, etc.), al igual que con la mano de obra no cualificada. En algunos casos, es necesaria la participación del Estado o de alguna entidad privada que asuma parte o el total de los gastos que se generan (PRONAR s.f.). Por otra parte, estas obras se pueden usar junto con otros sistemas de abastecimiento de agua, logrando así aumentar la cantidad de agua que pueda requerir una zona con bajo rendimiento hídrico. También se pueden construir una o más galerías filtrantes que conduzcan el agua captada hacia un punto central, como por ejemplo un pozo excavado a mano o un tanque colector, del cual se distribuirá el agua por gravedad (economizando gastos por bombeo) hasta donde se encuentre el punto inicial del sistema de distribución comunitario (WHO 1996).

Las galerías filtrantes forman parte de la captación de aguas subterráneas de un sistema de abastecimiento de poblados de hasta 2500 habitantes por gravedad, sin tratamiento, que aplica a los escenarios 5, 6, 7 y 8. El más idóneo construir estas obras es en aquel en donde no sólo hay disposición de agua suficiente/óptima, con mantos freáticos poco profundos y suelos accesibles para la perforación, sino también donde la comunidad tiene recursos y capacidades, es decir, en comunidades pertenecientes al  escenario 7. En el caso, que exista algún organismo del Estado que asuma los gastos de construcción, esta tecnología podría ser también apta para escenario 8, dado que son comunidades sin recursos ni capacidades, pero con una disposición de agua suficiente/óptima. Para el resto de escenarios con una población de hasta 2500 habitantes (escenario 5  y escenario 6), este sistema no es tan idóneo ya que la disposición de agua es escasa, con mantos freáticos a gran profundidad (>800 m) y aguas superficiales alejadas de la zona (>3 km) y de pequeñas dimensiones.

Las aguas que se obtienen por medio de galerías filtrantes no requieren de procesos de purificación o clarificación adicionales, siempre y cuando el agua cumpla con los parámetros químicos y microbiológicos establecidos, pero se recomienda hacer un tratamiento de desinfección con cloro como medida preventiva que contrarreste una posible contaminación en la red de conducción, antes de que llegue a ser usada por los consumidores. (AGUAS DEL NORTE s.f.; MONTEMAYOR y BARAHONA 1979).

La calidad físico-química que tienen las aguas producidas por las galerías filtrantes va a depender, en gran medida, de la calidad que la de las fuentes de agua superficiales y subterráneas de las que dependan, en otras palabras, “la calidad del agua extraída depende del porcentaje que aporta la recarga superficial, y del que aportan las corrientes subterráneas” (MONTEMAYOR y BARAHONA 1979). Por este motivo, es necesario establecer unas zonas protegidas para tales fuentes, así como procurar por un lado ubicar la galería cuesta arriba y lo más lejos que se pueda (la OMS sugiere una distancia no menor de 15 m, incluso hasta de 30 m como pauta general) de los posibles focos de contaminación como: letrinas, descargas industriales, lagunas de oxidación, lechos percoladores, etc. y, por otro, que el lugar seleccionado no sea propenso a la erosión por parte de una corriente de agua, es decir, que el espesor de la capa del suelo que sirve como filtro no pueda verse disminuido por acción del agua, poniendo en peligro la galería. (CEPIS 2002; MONTEMAYOR y BARAHONA 1979; WHO 1996).

La calidad bacteriológica del agua que produce una galería es difícil de predecir. Cuando las galerías son poco profundas, depende de la contaminación bacteriológica por acción humana (letrinas, lagunas de estabilización, lechos percoladores, entre otras). El problema se agrava cuando el terreno que separa la galería de las fuentes contaminantes es fisurado, cavernoso o arenoso (CEPIS 2002; MONTEMAYOR y BARAHONA 1979). En algunas regiones, las investigaciones concluyen que la presencia de bacterias coliformes es rara para galerías que estén cubiertas con más de 4 m de material saturado (MONTEMAYOR y BARAHONA 1979).

Se debe realizar una revisión técnica de la estructura, ya sea galería o dren, cada dos años y aprovechando el período de sequía, con el objetivo de mantener y garantizar el buen funcionamiento de todo el sistema. Por ejemplo, en el caso de drenes, la limpieza del interior de la tubería suele ser un proceso sencillo en el que se puede usar un cepillo radial tirado con una soga desde la cámara de inspección (CEPIS 2002).

De forma general, es conocido que si la galería se diseña y construye correctamente entonces no sólo operará sin problemas, sino que estará libre de mantenimiento. Para ello se aconseja seguir las siguientes recomendaciones como (MONTEMAYOR y BARAHONA 1979; CEPIS 2002; PRONAR s.f.):

a) seleccionar adecuadamente la granulometría del filtro y colocarlo como se debe en la fase de construcción para evitar que el material fino penetre en el filtro de grava, arena, y en el conducto en sí. Si se da este problema, no existe un mantenimiento efectivo, sino que la mejor solución es quitar y reemplazar el filtro. Este es el fallo más común en las galerías filtrantes;

b) controlar con tratamiento químico las acumulaciones de precipitados inorgánicos y limos orgánicos en el filtro, los orificios del conducto y en la parte circundante del acuífero a la galería. Dicho tratamiento dependerá del tipo de depósito que se forme; por ejemplo, si son de carbonatos, se inyecta en una tubería plástica perforada una solución al 5 o 10% de ácido clorhídrico junto con aire, por medio de un compresor, para que se distribuya bien el ácido dentro de la galería, dejándolo actuar por unas 8 horas (habiendo previamente suspendido el servicio de captación de agua del sistema); a continuación, se ha de bombear agua de la galería a un caudal moderado hasta que obtener el valor de pH establecido como normal. Si, por el contrario, se trata de acumulaciones orgánicas, se inyecta un germicida efectivo y común como el cloro que, una vez que se distribuye por la galería, ayuda a disolver la materia orgánica que actúa como cementante entre las partículas de arena y lodo, permitiendo que las partículas finas se desincrusten del filtro y sean arrastradas hasta la cámara de inspección.

Otras actividades de mantenimiento rutinarias son la limpieza del tanque colector, del área alrededor de la galería y de la cámara de inspección; la toma de valores de muestreo y el chequeo de válvulas y tapas o puertas de seguridad de la estructura. Para ello, se debe chequear cada dos semanas si existe alguna fuga, daño o deterioro de la estructura en general, limpiar y extraer malezas y raíces presentes sobre y en las zonas aledañas a la galería. Mensualmente se ha de medir el caudal y la turbiedad del agua. Por último, cada tres meses se han de chequear las estructuras metálicas como puertas, bisagras, candados, válvulas, etc., limpiarlas, pintarlas y lubricarlas con aceite (CARE/AVINA 2012).