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Hydraulic response of well-based artificial recharge in a stratified aquifer considering screen configuration and inter-well interference

Este estudio integra pruebas de campo y modelado 3D para demostrar que el rendimiento de la recarga artificial basada en pozos en acuíferos estratificados está gobernado por la compleja interacción entre la conectividad de la rejilla y la estratigrafía, la presión de inyección y la interferencia entre pozos, proporcionando una base física para optimizar el diseño de sistemas de recarga en el control de aguas subterráneas urbanas.

Autores originales: Zhenjie Zhang, Di Wang, Liang Gong, Shuai Gao, Shasha Wu

Publicado 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Zhenjie Zhang, Di Wang, Liang Gong, Shuai Gao, Shasha Wu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Bajo las bulliciosas calles de las ciudades modernas, un recurso oculto es extraído constantemente. Cuando los ingenieros excavan cimentaciones masivas para rascacielos o estaciones de metro, deben bombear el agua subterránea para mantener la excavación seca. Este proceso, aunque necesario para la construcción, puede drenar el acuífero circundante, provocando que el nivel freático descienda y dañando potencialmente los edificios o ecosistemas cercanos. Para solucionar esto, los ingenieros suelen instalar pozos de recarga: tuberías que inyectan agua de nuevo en el suelo para reemplazar lo perdido. Sin embargo, el terreno rara vez es una esponja simple y uniforme. En muchos lugares, el suelo y la roca están dispuestos en capas como un pastel complejo, donde algunas capas absorben el agua con facilidad y otras actúan como barreras. El desafío para los ingenieros es averiguar cómo introducir agua de manera efectiva cuando el terreno es tan irregular, y cuando tienen que hacerlo con múltiples pozos trabajando a la vez.

Un equipo de investigadores de la provincia de Shandong, en China, abordó recientemente este problema estudiando un sitio de construcción real en una estación de metro en Jinan. Querían comprender exactamente cómo se mueve el agua a través de estos sistemas subterráneos estratificados cuando se introduce a la fuerza, y cómo el diseño de los pozos en sí mismo cambia el resultado. En lugar de simplemente adivinar o confiar en reglas empíricas simples, combinaron pruebas de campo directas con una simulación computacional detallada del entorno subterráneo. Su trabajo revela que el éxito de reintroducir agua en el suelo depende de un delicado equilibrio entre el diseño físico del pozo, la presión utilizada para empujar el agua y qué tan cerca están los pozos entre sí.

Los investigadores comenzaron observando tres pozos específicos en el sitio de construcción. Estos pozos tenían unos 30 metros de profundidad, pero no estaban abiertos a lo largo de toda su extensión. En su lugar, tenían secciones específicas, llamadas rejillas, que permitían que el agua entrara o saliera del terreno. En este caso, las rejillas se colocaron a través de diferentes capas de arena, grava y arcilla. El equipo probó estos pozos bombeando agua a diferentes presiones, comenzando con la gravedad sola y luego aumentando la presión hasta 0.04 megapascales. Descubrieron que a medida que aumentaban la presión, la cantidad de agua que los pozos podían absorber aumentaba significamente, duplicándose casi en ocasiones. Sin embargo, los pozos no respondieron de la misma manera. A pesar de estar cerca unos de otros, un pozo absorbía mucha más agua que los demás cuando se aumentaba la presión. Esto le indicó a los investigadores que la conexión específica entre la rejilla del pozo y las capas de roca circundantes era tan importante como la presión misma.

Para entender por qué sucedía esto, el equipo construyó un sofisticado modelo tridimensional de las capas subterráneas. Representaron el suelo no como un solo bloque, sino como capas distintas con diferentes capacidades para dejar pasar el agua. Algunas capas estaban compuestas de grava gruesa y arena, que actúan como autopistas abiertas para el agua, mientras que otras eran de arcilla fina o limo, que actúan más como una esponja espesa que ralentiza el flujo. El modelo mostró que, cuando se inyecta agua, esta no se distribuye uniformemente en todas las direcciones. En cambio, se precipita lateralmente a través de las capas permeables de arena y grava, mientras que lucha por moverse hacia arriba o hacia abajo a través de las capas de arcilla. El agua tiende a permanecer dentro de las "autopistas" que encuentra, creando un patrón de flujo que es muy diferente al que predeciría un modelo simple y uniforme.

Uno de los hallazgos más sorprendentes concernía a la longitud de la sección de la rejilla dentro del pozo. Los investigadores probaron qué pasaría si hacían la rejilla más larga, extendiéndola para tocar más capas del terreno. Esperaban que una rejilla más larga simplemente permitiera la entrada de más agua, como abrir una puerta más ancha. Si bien es cierto que una rejilla más larga aumenta la cantidad total de agua que el pozo puede manejar, la relación no es una línea recta. Cuando la rejilla se extendió para alcanzar una nueva capa de grava altamente permeable, la cantidad de agua que el pozo podía absorber aumentó significativamente. Pero cuando la rejilla se extendió hacia una capa menos permeable, la ganancia fue mucho menor. Más importante aún, cambiar la longitud de la rejilla no solo añadía más flujo, sino que cambiaba la distribución del agua. Extender la rejilla a veces causaba que el agua cambiara su trayectoria, tomando más de una capa y menos de otra. Esto significa que simplemente hacer un pozo más largo no garantiza un aumento proporcional en el rendimiento; la ubicación de la rejilla en relación con las buenas capas es lo que realmente importa.

El estudio también analizó cómo funciona la presión de inyección. Los investigadores descubrieron que la presión actúa como un conductor, empujando el agua a través de los caminos disponibles. Si el pozo está bien conectado con las capas buenas, aumentar la presión empujará más agua a través de esos mismos caminos. Sin embargo, si el pozo está mal conectado con las capas permeables, añadir más presión no ayudará mucho porque el agua no tiene un buen lugar a donde ir. La presión y el diseño de la rejilla trabajan juntos, pero desempeñan roles distintos. El diseño de la rejilla determina la capacidad de la carretera, mientras que la presión determina qué tan rápido se mueve el tráfico en esa carretera. No se puede arreglar una carretera bloqueada simplemente pisando el acelerador con más fuerza.

Finalmente, el equipo investigó qué sucede cuando se utilizan múltiples pozos al mismo tiempo, lo cual es común en grandes proyectos de construcción. Simularon dos pozos trabajando uno al lado del otro y descubrieron que interfieren entre sí. Cuando dos pozos están cerca, la presión del agua que crean se solapa, elevando el nivel del agua en el suelo entre ellos. Esto hace que sea más difícil para cada pozo introducir nueva agua, porque el suelo ya está "más lleno" de lo que estaba antes. Los investigadores encontraron que cuando los pozos están espaciados entre 7 y 16 metros, lo cual es típico para estos proyectos, la capacidad de cada pozo cae aproximadamente entre un 15 y un 24 por ciento en comparación con si trabajara solo. A medida que la distancia entre los pozos aumenta, esta interferencia disminuye, pero solo hasta cierto punto. Más allá de los 25 metros, separar los pozos más no proporciona un beneficio adicional significativo. Esto sugiere que los ingenieros deben encontrar un punto óptimo: espaciar los pozos lo suficiente como para evitar desperdiciar capacidad, pero lo suficientemente cerca como para que quepan suficientes pozos en el espacio disponible para realizar el trabajo.

El trabajo proporciona una imagen clara de cómo diseñar mejores sistemas para la reposición de aguas subterráneas en entornos urbanos complejos. Demuestra que no existe una configuración única que funcione para cada situación. El éxito de un sistema de recarga depende de ajustar cuidadosamente el diseño del pozo a las capas de roca específicas que tocará, entender que la presión es solo una parte de la ecuación, y espaciar los pozos para que no interfieran entre sí. Al utilizar estos conocimientos, los ingenieros pueden asegurar que el agua que bombean de vuelta al subsuelo realmente llegue a los lugares donde se necesita, ayudando a proteger la estabilidad de la ciudad que se encuentra arriba.

Resumen Técnico: Respuesta Hidráulica de la Recarga Artificial Basada en Pozos en un Acuífero Estratificado

Planteamiento del Problema
La recarga artificial es una estrategia crítica para mitigar el descenso del nivel freático causado por el agotamiento de excavaciones profundas en entornos urbanos. Sin embargo, el rendimiento hidráulico de los sistemas de recarga basados en pozos en acuíferos estratificados verticalmente es complejo. Este está controlado conjuntamente por la heterogeneidad hidroestratigráfica, la configuración de la rejilla del pozo, la presión de inyección y las interacciones hidráulicas entre pozos vecinos. Si bien estudios previos han abordado el rendimiento a escala del sistema y la hidráulica de pozos individuales por separado, existe una falta de investigación constreñida por datos de campo que resuelva cuantitativamente los efectos acoplados de la conectividad entre la rejilla y la estratigrafía, la transmisión de presión efectiva, la partición de flujo resuelta por capas y la interferencia hidráulica dependiente del espaciamiento dentro de un marco tridimensional consistente. Específicamente, los mecanismos mediante los cuales la configuración de la rejilla altera la partición de la recarga entre las capas del acuífero, y cómo la presurización interactúa con estos controles geométricos, requieren mayor investigación.

Metodología
Este estudio integra pruebas de recarga de campo por etapas con un modelado de flujo de agua subterránea tridimensional (3D) constreñido por el campo para investigar estos controles hidráulicos.

Sitio de Campo: La investigación se llevó a cabo en la Estación Yujiazhuang de la Línea 6 del Metro de Jinán, China, que involucra una excavación profunda y un sistema de recarga artificial periférico. Se realizaron pruebas de recarga de pozo único por etapas en tres pozos representativos (HG-2, HG-22 y HG-35) bajo gravedad y presiones de cabezal aplicadas (0.02, 0.03 y 0.04 MPa).
Modelado Numérico: Se desarrolló un modelo de flujo de agua subterránea en estado estacionario 3D con un dominio de 120 m × 100 m × 50 m. El modelo representa explícitamente la heterogeneidad hidroestratigráfica vertical, distinguiendo los estratos permeables principales (arena y grava) de los intermedios de baja permeabilidad.
Condiciones de Contorno y Formulación:
- El modelo trata al pozo de recarga como un límite donde ocurre el intercambio hidráulico únicamente a lo largo del intervalo de la rejilla.
- Se introdujo un coeficiente de transferencia de presión agrupado ( $\eta_p$ ) para contabilizar las pérdidas hidráulicas entre el cabezal del pozo y el acuífero, distinguiendo la presión de cabezal aplicada de la carga hidráulica efectiva que actúa sobre el intervalo de la rejilla.
- El modelo fue calibrado utilizando las etapas de recarga por gravedad y presurizada del pozo HG-2 y luego se evaluó frente a HG-22 y HG-35 sin ajustar el coeficiente de transferencia de presión.
Análisis Paramétrico: Tras la calibración, el modelo se utilizó para simular:
1. La redistribución espacial 3D de la carga y el flujo inducidos por la recarga.
2. Los efectos de variar las longitudes de la rejilla (10, 15, 20 y 25 m) sobre la capacidad total de recarga y la partición de flujo resuelta por capas.
3. Los efectos combinados de la longitud de la rejilla y la presión de inyección.
4. La interferencia hidráulica entre dos pozos a distintos espaciamientos (7 a 30 m).

Resultos Clave

Desempeño del Modelo: El modelo calibrado reprodujo con éxito las tendencias dominantes de recarga dependientes de la presión en los pozos investigados (Error Porcentual Absoluto Medio de 3.98% para HG-2). Aunque capturó el comportamiento general para HG-22 y HG-35, las desviaciones específicas del sitio (hasta un 15.99% de MAPE para HG-35) resaltaron la influencia de la conectividad local entre la rejilla y el acuífero y la heterogeneidad.
Respuesta Hidráulica Espacial: La recarga indujo un campo de flujo tridimensional y verticalmente no uniforme. El agua inyectada exhibió una propagación radial cerca del pozo y una migración lateral preferencial a través de los estratos permeables, mientras que el intercambio vertical a través de las capas de menor permeabilidad fue restringido. La zona de alta carga permaneció concentrada cerca de la rejilla activa, con perturbaciones de menor amplitud propagándose lateralmente sobre áreas más amplias dentro de las unidades permeables.
Efectos de la Configuración de la Rejilla: El aumento de la longitud de la rejilla mejoró la capacidad de recarga de forma no lineal. La ganancia marginal por metro de rejilla varió significamente dependiendo de qué unidades hidroestratigráficas fueran intersectadas por primera vez. Crucialmente, la extensión de la rejilla alteró la conectividad entre el pozo y capas específicas del acuífero, provocando una redistribución del flujo. Por ejemplo, a medida que la longitud de la rejilla aumentaba, la contribución de las capas más profundas aumentaba mientras que el flujo absoluto a través de las capas intermedias podía disminuir, incluso cuando la capacidad total subía.
Presión vs. Configuración: La configuración de la rejilla y la presión de inyección sirven como roles distintos pero complementarios. La longitud de la rejilla modifica la conexión hidráulica efectiva y la capacidad de transmisión del sistema pozo-acuífero. En contraste, la presión de inyección escala principalmente la fuerza impulsora hidráulica que actúa a través de estas vías establecidas. El aumento de la presión no pudo compensar plenamente una conexión hidráulica insuficiente causada por una mala configuración de la rejilla.
Interferencia entre Pozos: Las simulaciones de pozos múltiples demostraron que la superposición de los campos de carga inducidos por la recarga eleva la carga de agua subterránea ambiental alrededor de los pozos adyacentes, reduciendo así el gradiente de recarga efectivo y suprimiendo la capacidad individual de los pozos. En el rango de espaciamiento representativo del campo (7–16.5 m), la operación simultánea redujo la capacidad de recarga aproximadamente un 14.7–23.8% en comparación con los pozos aislados. Esta interferencia se debilitó progresivamente con el aumento del espaciamiento, observándose rendimientos decrecientes más allá de los 25 m.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar una base físicamente fundamentada para el diseño y la operación de sistemas de recarga artificial basados en pozos en acuíferos urbanos estratificados. Al vincular las observaciones de campo con el modelado orientado a procesos, el estudio aclara que el rendimiento del sistema de recarga no está gobernado por un solo factor, sino por los efectos coordinados de:

Conectividad rejilla–estratigrafía: Determinando las vías de flujo disponibles y la partición de flujo entre las unidades del acuífero.
Impulso Hidráulico: El papel de la presión de inyección en escalar el flujo a través de las vías disponibles.
Interacción entre pozos: La reducción de la capacidad dependiente del espaciamiento debido a la superposición de los campos de carga.

Los autores enfatizan que un diseño de recarga efectivo requiere priorizar el establecimiento de conexiones hidráulicas efectivas con las capas transmisivas principales antes de depender de la presurización para aumentar las tasas. Además, el espaciamiento de los pozos debe optimizarse como un compromiso entre la densidad de pozos y la capacidad retenida por pozo, en lugar de tratarse como un parámetro geométrico independiente. El estudio concluye que, si bien las representaciones unificadas de transferencia de presión son útiles para un análisis de primer orden a escala del sitio, la heterogeneidad local y la conectividad entre la rejilla y el acuífero siguen siendo fuentes críticas de incertidumbre que deben tenerse en cuenta en diseños de sistemas específicos.

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