HIDROLOGIA E HIDROGEOLOGIA

HIDROLOGIA

HIDROLOGIACiencia que estudia el agua en la tierra, su distribucin, propiedades fsicas y qumicas, sus movimientos y transformaciones, as como su relacin con el medio ambiente y con los seres vivos.Hidrologa Fsica: Estudia los fenmenos fsicos asociados desde una orientacin determinista.Hidrologa superficial: Estudia el comportamiento del agua sobre la superficie terrestre.Hidrogeologa: Estudia el comportamiento de las aguas subterrneas.Hidrologa Estocstica: Estudia los fenmenos hidrolgicos como fenmenos probabilsticos(eliminadas las causas ). Basado en datos experimentales y anlisis estadsticos

La Hidrologa est muy relacionada con otras ciencias bsicas tales como la Fsica, la Qumica, la Biologa, la Geologa, la Mecnica de los Fluidos, las Matemticas y la Estadstica.La Hidrologa atraviesa el dominio de la Meteorologa y ClimatologaDentro de la Hidrsfera, la Hidrologa cruza o forma parte de la Potamologa (Cauces superficiales), Limnologa (lagos), Criologa (nieve y hielo ), Glaciologa y OceanografaEn la Litsfera, la Hidrologa se relaciona con la agronoma, Hidrogeologa y Geomorfologa.

Para qu puede servir la Hidrologa? Qu caudales mximos pueden llegar a circular por un vertedero o por un sistema de drenaje urbano?

Qu volumen de embalse es necesario para asegurar el suministro de agua para riego, aguas de uso urbano durante un perodo de sequa?

Qu efecto tienen los diques de control sobre una gran avenida de agua?

Donde se sitan las zonas de riesgo de inundacin

PROCESOS HIDROLOGICOS

HIDROLOGIA

PRECIPITACION

CICLO DEL AGUA O CICLO HIDROLOGICO

CUENCA HIDROGRAFICA

DEFINICION DE CUENCA

CUENCA HIDROLOGICA

LUGARES DE REGISTROS DE LLUVIASPLUVIOMETRA

HIDROMETEOROLOGIA

Se denomina hidrologa (del griego Y (hidro): agua, y oos (logos): estudio) a la ciencia geogrfica que se dedica al estudio de la distribucin, espacial y temporal, y las propiedades del agua presente en la atmsfera y en la corteza terrestre. Esto incluye las precipitaciones, la escorrenta, la humedad del suelo, la evapotranspiracin y el equilibrio de las masas glaciares. Por otra parte, el estudio de las aguas subterrneas corresponde a la Hidrogeologa.

PLUVIOMETRIA

Parte de la meteorologa que estudia la distribucin de las lluvias o las precipitaciones segn el espacio geogrfico y las estaciones del ao: la pluviometra nos muestra qu zonas del planeta son ms lluviosas

FLUCTUACION DE LA RECARGA DE UN ACUIFERO

BALANCE HIDROLOGICO A NIVEL MUNDIAL

BALANCE HIDROLOGICO A NIVEL MUNDIAL

BALANCE EN SUPERFICIE

BALANCE GLOBAL

FRENTES Y TEMPESTADES A NIVEL MUNDIAL

EL CICLO HIDROLOGICO O CICLO DEL AGUA

El agua existe en la tierra en tres estados: Slido ( hielo, nieve)Lquido Gaseoso (vapor de agua)

Ocanos, ros, nubes y lluvia estn en constante cambio:El agua de la superficie se evapora, el agua de las nubes precipita, la lluvia se filtra por la tierra, etc.Sin embargo, la cantidad total de agua en el planeta no cambia. La circulacin y conservacin de agua en la tierrase llama Ciclo Hidrolgico, o Ciclo del Agua

FASES DEL CICLO HIDROLOGICO

EVAPORACIN El ciclo se inicia sobre todo en las grandes superficies lquidas (lagos, mares y ocanos) donde la radiacin solar favorece que continuamente se forme vapor de agua. El vapor de agua, menos denso que el aire, asciende a capas ms altas de la atmsfera, donde se enfra y se condensa formando nubes. PRECIPITACIN Cuando por condensacin las partculas de agua que forman las nubes alcanzan un tamao superior a 0,1 mm comienza a formarse gotas, gotas que caen por gravedad dando lugar a las precipitaciones (en forma de lluvia, granizo o nieve).

RETENCIN Pero no todo el agua que precipita llega a alcanzar la superficie del terreno. Una parte del agua de precipitacin vuelve a evaporarse en su cada y otra parte es retenida (agua de intercepcin) por la vegetacin, edificios, carreteras, etc., y luego se evapora. Del agua que alcanza la superficie del terreno, una parte queda retenida en charcas, lagos y embalses (almacenamiento superficial) volviendo una gran parte de nuevo a la atmsfera en forma de vapor.

ESCORRENTA SUPERFICIAL Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeos cursos de agua, que luego se renen en arroyos y ms tarde desembocan en los ros (escorrenta superficial). Este agua que circula superficialmente ir a parar a lagos o al mar, donde una parte se evaporar y otra se infiltrar en el terreno.

INFILTRACIN Pero tambin una parte de la precipitacin llega a penetrar la superficie del terreno (infiltracin) a travs de los poros y fisuras del suelo o las rocas, rellenando de agua el medio poroso.

EVAPOTRANSPIRACIN En casi todas las formaciones geolgicas existe una parte superficial cuyos poros no estn saturados en agua, que se denomina zona no saturada, y una parte inferior saturada en agua, y denominada zona saturada. Una buena parte del agua infiltrada nunca llega a la zona saturada sino que es interceptada en la zona no saturada. En la zona no saturada una parte de este agua se evapora y vuelve a la atmsfera en forma de vapor, y otra parte, mucho ms importante cuantitativamente, se consume en la transpiracin de las plantas. Los fenmenos de evaporacin y transpiracin en la zona no saturada son difciles de separar, y es por ello por lo que se utiliza el trmino evapotranspiracin para englobar ambos trminos.

ESCORRENTA SUBTERRNEA El agua que desciende, por gravedad-percolacin y alcanza la zona saturada constituye la recarga de agua subterrnea.

SALIDAS DEL AGUA SUBTERRNEA

Ya hemos visto cmo continan su camino el aguaevaporada y la escurrida superficialmente. Para continuar con la visin del ciclo, nos queda slo resear cmo lo hace el agua subterrnea, la escorrenta subterrnea.

El agua que ha llegado a la zona saturada circular por el acufero siguiendo los gradientes hidrulicos regionales. Hasta que sale al exterior o es extrada su recorrido puedeser de unos metros o de bastantes kilmetros, durante unperiodo de unos meses o de miles de aos. Esta salida al exterior puede ser por los siguientes caminos:Ser extrada artificialmente, mediante pozos o sondeos. En zonas de topografa plana y Superficie fretica profunda, la extraccin por captaciones constituye casi la nica salida del agua subterrnea.Salir al exterior como manantial. Los contextos hidrogeolgicos que dan lugar a un manantial son variados, en figura adjunta se esquematiza slo uno de ellos.

Evapotranspiracin, por plantas freatofitas o si la superficie fretica est prxima a la superficie. En laderas que cortan la superficie fretica se genera una abundante vegetacin.Alimentar un cauce subrepticiamente. Es normal que un ro aumente paulatinamente su caudal aguas abajo aunque no reciba afluentes superficiales.

En zonas costeras: Afluye subterrneamente al mar. Esta prdida es necesaria para mantener estable la "interfase agua dulce - agua salada.

De todas ellas, exceptuando las reas costeras, la ms importante es la salida hacia los cauces. En una regin con alternancia entre capas permeables y otras pocopermeables

Esta afluencia de agua subterrnea a los ros no se produce siempre, en ocasiones el flujo es del ro al acufero. Se denominan ros efluentes e influentes respectivamente, o ganadores y perdedores.

RIOS

El ro es una corriente natural de agua que fluye con continuidad. Posee un caudal determinado, rara vez el caudal es constante durante todo el ao, y desemboca en el mar, en un lago o en otro ro, en cuyo caso se denomina afluente

ARROYOEs una corriente natural de agua.Fluye con continuidad.Tiene escaso caudal.Puede desembocar en:El marEl LagoEl ro

RECURSOS, RESERVAS Y SOBREESPLOTACION

Si explotamos el agua que se puede renovar (considerando un periodo de unos aos) se dice que explotamos los recursos. Si utilizamos ms agua de la quepuede renovarse. se dice que estamos explotando lasreservas. y estamos produciendo sobreexplotacin. Losniveles del agua en los pozos cada ao se encuentran ms bajos.

Mantener inalterado el balance hdrico de una regin mantiene los ecosistemas en su estado natural. pero nonos permite evaluar la mxima explotacin de los recursos hdricos sin llegar a sobreexplotacin.

se muestra un balance hdrico hipottico (en porcentajes, Precipitaciones = 100) sin explotacin.

En esta figura, el comienzo de la explotacin de las aguas subterrneas ha aminorado la evapotranspiracin, pero han disminuido la vegetacin y el caudal del ro.

Finalmente en otra figura, con una mayor explotacin de los recursos subterrneos. el ro ha pasado de efluente a influente con un aumento de los efectos citados en la fase anterior:

De la tercera figura, que hemos visto que mediante una sobreexplotacin inicial se ha conseguido explotar el 18%de las precipitaciones. Si se logra estabilizar ese nivel de explotacin, la evolucin de los, niveles en un piezmetro sera como se indica a continuacin

Se habra conseguido una Explotacin sostenible,aunque el precio que se ha debido pagar por ello ha sido la desaparicin de vegetacin y zonas hmedas y la disminucin del caudal del ro. Si ese precio es aceptable o no para los beneficiosobtenidos, es una decisin en la que intervienen factores no cientficos.Si se bombeara un volumen an mayor, lo nicoque se conseguira es que la superficie fretica estuviera cada ao ms abajo y que el bombeo fuera ms costoso, y, al final, inviable.

HIDROGEOLOGIA

La Hidrogeologa comprende bsicamente la geologa del agua subterrnea y trata del estudio integral del agua subterrnea, su distribucin y evolucin en tiempo y espacio en el marco de la geologa regional y la Geohidrologa se encarga de estudiar el comportamiento del agua en el ambiente geolgico, segn las leyes de la hidrulica, especficamente comprende la Hidrulica de pozos, es decir la perforacin de pozos para obtener agua con diferentes fines y el control de su comportamiento hidrulico en el entorno, segn el tipo de material perforado, en zonas locales.

Cuando se menciona agua subterrnea, se refierea un cuerpo de agua que se encuentra por debajode la superficie del terreno y confinada a una presin mayor o igual que la atmosfrica, esta agua subterrnea satura el medio rocoso a travsdel cual se mueve y se almacena, el liquido puedepresentarse en diferente clase de espacios abiertos en las unidades litolgicas tales como intersticios entre los cristales o granos que formanlas rocas o sedimentos, fallas, diaclasas, contactos litolgicos y otras discontinuidades, as como cavidades en las rocas originadas por enfriamiento,disolucin o intemperismo.

HIDROGEOLOGIA El desequilibrio originado por la interaccin de las diferentes fuerzas como las presiones diferenciales y la gravedad hacen que el agua se mantenga en movimiento continuamente. El agua subterrnea forma depsitos que abastecen a pozos y manantiales, y mantienen el flujo de algunos arroyos durante los periodos de sequa.

HIDROGEOLOGIAEl movimiento y almacenamiento del aguasubterrnea estn supeditados a la litologa,espesor, textura, y estructura de las rocasque constituyen la corteza terrestre. La capacidad de movimiento y almacenamientodel agua son controladas principalmente porla capacidad y caractersticas fsicas del agua de moverse a travs de un medio permeable.

HIDROGEOLOGIALas unidades litolgicas que tienen una mayor capacidad de almacenar y proporcionar el vital liquido, el cual es posible recuperar econmicamente son denominados acuferos. Los acuferos pueden yacer cerca de la superficie de la tierra contenidos en rocas permeables, o pueden estar confinados a profundidad en las rocas fracturadas y/o falladas de la corteza terrestre.

RECURSO NATURAL DEL SUBSUELO

RECURSO NATURAL DEL SUBSUELO

ACUFERO (del latn fero, llevar)Formacin geolgica que contiene agua encantidad apreciable y que permite que circule a travs de ella con facilidad.

Ejemplos: Arenas, gravas. Tambin granito u otra roca compacta con una fracturacinimportante.

ACUICIUDO (del latn cludo, encerrar)Formacin geolgica que contiene agua en cantidad apreciable y que no permite que el agua circule a travs de ella.

Ejemplo: Limos, arcillas. Un m3 de arcillas contiene mas agua que el mismo volumen de arenas, pero el agua esta atrapada, no puede salir por gravedad, y por tanto no podr circular en el subsuelo ni en condiciones naturales ni hacia un pozo que est bombeando.

ACUITARDO (del latn tardo, retardar, impedir)Formacin geolgica que contiene agua encantidad apreciable pero que el agua circula a travs de ella con dificultad. Evidentemente setrata de un concepto intermedio entre los dos anteriores.

Ejemplos: Arenas arcillosas, areniscas, rocas compactas con alteracin y/o fracturacin moderadas.

ACUFUGO (del latn fugo, rechazar, ahuyentar)Formacin geolgica que no contieneagua porque no permite que circule a travsde ella.

Ejemplo: granito o esquisto inalterados y no fracturados.

De estas cuatro denominaciones, es la menos utilizada.

EXTRACCION DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS

POROSIDAD TOTAL Y EFICAZPOROSIDAD TOTAL:mt = Volumen de huecos/volumen totalPuede expresarse en % en tanto por 1 (en cualquier caso es adimensional). Es decir que 28% es equivalente a 0,28, pero dejando claro cmo se est expresando, porque tambin puede existir una porosidad extremadamente baja del 0,28%

Porosidad eficaz:POROSIDAD TOTAL Y EFICAZme = Volumen de agua drenada por gravedad / volumen totalSe expresa igual que la porosidad total (% en tanto por 1).Retencin especfica:

Diferencia entre la Porosidad total y Porosidad Efectiva.

Ejemplo:Con estos datos podemos calcular:1 m3 = 1000 dm3 ~ 1000 litrosmt = 280 /1000 =0,28 ~ 28%me =160 / 1000=0,16~ 16%Retencin especfica = 0,28 - 0,16 = 0,12 ~ 12%Disponemos de 1 m3 de arena seca, le introducimos agua hasta que est completamente saturado (todos los poros llenos de agua). Supongamos que para ello hemos necesitado 280 litros. Despus dejamos que el agua contenida escurra libremente; supongamos querecogiramos 160 litros. Evidentemente los 120 litros que faltan se han quedado mojando los granos.

Una definicin ms correcta de Porosidad Eficaz sera: El volumen de huecos disponible para el flujo respecto del volumen total". En ingls (americano) coexisten dos conceptos similares que no tienen equivalente en espaol:

Specific yield (rendimiento especifico) nos informa del volumen de agua que podemos obtener de un medio poroso saturado.

Effective porosity (porosidad efectiva) se refiere al volumen de huecos disponible para la circulacin del agua.

(En ambos casos respecto del volumen total)

Aproximadamente son equivalentes: el agua que queda adherida a los granos y que no se mueve por gravedad tampoco permite el flujo.En la figura se representa en rayado el agua adherida a losgranos; los huecos que quedan (en el dibujo en blanco) representan tanto el agua extrable como la seccin utilizable por el flujo del agua subterrneaEn un laboratorio se puede medir el specific yield, pero no existe un mtodo experimental para obtener el valor de la effective porosity (la seccin utilizada por el flujo).

POROSIDAD PRIMARIA Y SECUNDARIAAl hablar de porosidad, intuitivamente se piensa en los poros de un material detrtico, pero las rocas compactas tambin pueden contener cierta proporcin de agua en su interior en sus fisuras. Tras su formacin, estas fisuras pueden ser ocludas por los minerales arcillosos resultantes de la alteracin, o por el contrario la disolucin hace aumentar la abertura, a veces hasta formar amplios conductos (especialmente en calizas). Normalmente, estas fisuras son fracturas producidas por esfuerzos tectnicos, pero pueden deberse a otras causas: enfriamiento (rocas volcnicas), planos de descompresin o discontinuidades sedimentarias, etc.

Se denomina porosidad primaria a la que resulta al originarse la formacin geolgica. Los poros de unas arenas son porosidad primaria.Porosidad secundaria ser cualquier abertura que se produzca posteriormente. Las fracturas que se producen en una roca compacta debido a esfuerzos tectnicos son porosidad secundaria.En ocasiones se presentan los dos tipos en la misma formacin geolgica: una arenisca presenta porosidadprimaria entre los granos y porosidad secundaria a travs de las fracturas u otros planos de discontinuidad de la roca.

PERMEABILIDAD Permeabilidad es un concepto comn y no hara falta definido: La facilidad que un cuerpo ofrece a ser atravesado por un fluido, en este caso el agua.En Hidrogeologa, la permeabilidad(o mejor: conductividad hidrulica, K) es un concepto mspreciso.Es la constante de proporcionalidad lineal entre el caudal y el gradiente hidrulico:

TRANSMISIVIDADSi observamos el dibujo intuimos que los dos estratosacuferos deben proporcionar el mismo caudal: uno tienela mitad de permeabilidad, pero el doble de espesor que elOtro.Efectivamente, el parmetro que nos indica la facilidad del agua para circular horizontalmente por una formacingeolgica es una combinacin de la permeabilidad ydel espesor:Transmisividad = Permeabilidad x Espesor

Como las unidades de la permeabilidad son L / T y las del espesor L, las unidades de la Transmisividad sern L2 / TPor ejemplo: m2/da, o cm2/seg.En el ejemplo mostrado en la figura, la transmisividad en ambos casos sera de 150 m2/dia

TIPOS DE ACUIFEROS

ACUFEROS LIBRES Y CONFINADOSEn los acuferos libres el agua se encuentra rellenando los poros o fisuras por gravedad, igual que el agua de una piscina llena el recipiente que la contiene, La superficie hasta donde llega el agua se denomina superficie fretica; cuando esta superficie es cortada porun pozo se habla del nivel fretico en ese punto. En los acuferos libres se habla de espesor saturado, que ser menor o igual que elespesor del estrato o formacin geolgica correspondiente.

ACUIFEROS CONFINADOSEn los acuferos confinados el agua se encuentra a presin, de modoque si extraemos agua de l, ningn poro se vaca, slo disminuye lapresin del agua y en menor medida la de la matriz slida. Al disminuir la presin del agua, que colaboraba con la matriz slida en la sustentacin de todos los materiales suprayacentes, pueden llegar a producirse asentamientos y subsidencia del terreno.

La superficie virtual formada por los puntos que alcanzara el agua si se hicieran infinitas perforaciones en el acufero, se denomina superficie piezomtrica, y en un punto concreto, en un pozo, se habla de nivel piezomtrico (en griego: piezo =presin). Si se perfora un sondeo y la perforacin alcanza la superficie fretica de un acufero libre, el nivel del agua en la perforacin permanece en el mismo nivel en que se cort. Es tansimple como cuando en la playa abrimos un hoyo con lasmanos, y en el fondo aparece agua, ya que la arena de la playa est saturada hasta el plano del nivel del mar.ACUIFEROS CONFINADOS

ACUIFEROS SEMICONFINADOSSon acuferos a presin (por tanto entraran en la definicin anterior de acuferos confinados), pero que alguna de las capasconfinantes son semipermeables, acuitardos, ya travs de ellas le llegan filtraciones o rezumes (en ingls: leaky aquifers)

Un acufero libre y un semiconfinado separados por un acuitardo. Seaprecia que el nivel del agua en el libre es mas alto que en el sondeo que corta el acufero profundo (la entubacin de este sondeo soloestara ranura da en el acufero inferior). Por tanto, aunque lapermeabilidad del acuitardo sea muy baja, se producir un flujo de agua a travs del mismo hacia abajo

TIPOS DE CAPAS ACUIFERAS

COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTOHemos visto que el volumen de agua que proporciona un acufero libre se puede calcular mediante la porosidad eficaz. Pero este parmetro no nos sirve en el caso de los acuferos confinados: cuando proporcionan agua, todos sus poros continan saturados, slo disminuye la presin, de modo que el dato de la porosidad eficaz no indica nada. Necesitamos un parmetro que indique el agua liberada al disminuir la presin en el acufero.

Coeficiente de almacenamiento (S) es el volumen de agua liberado por una columna de base unidad y de alturatodo el espesor del acufero cuando el nivel piezomtrico desciende una unidad

En la figura se representa el concepto: En una columna de 1 m2 de acufero, la superficie piezomtrica ha descendido 1 metro al extraer un volumen S.Es evidente que el concepto de porosidad eficaz encaja perfectamente en la definicin de coeficiente de almacenamiento

En la figura, si consideramos 1 m2 de acufero libre y hacemos descender 1 metro su superficie fretica el volumen de agua que habremos extrado ser laporosidad eficaz (me).

El acufero libre nos proporciona el volumen me por vaciado del m3 superior (el volumen que aparece en el dibujo entre las dos posiciones de al superficie fretica),mientras que en el acufero cautivo, cuando el nivel desciende 1 m, es toda la columna de acufero que aporta el volumen de agua S. El coeficiente de almacenamiento es, como la porosidad eficaz, adimensional (volumen / volumen), y los valores que presenta son mucho ms bajos en los confinados perfectos que en los semiconfinados. Los valores tpicos seran :

Acuferos libres: 0,3 a 0,01 (3.10-1 a 10-2)Acuferos semiconfinados: 10-3 a 10-4Acuferos confinados: 10-4 a 10-5

La personalidad hidrogeolgica de una roca o formacin geolgica est definida por dos factores:Su capacidad de almacn, de almacenar agua y cederla despus (porosidad eficaz, coeficiente de almacenamientoSu cualidad de transmisor, de permitir que el agua circule a travs de ella (permeabilidad, transmisividad)Recordando algunos conceptos bsicos

Para extraer agua del terreno se utilizan diversos tipos de captaciones, reseamos brevemente los ms utilizados:POZOS EXCAVADOS

Es el tipo de captacin ms antiguo y ms elemental. En la actualidad se excava con mquinas y en rocas duras con explosivos, aunque en muchos pases continan realizndose manualmente. Generalmente el agua entra en el pozo por el fondo y las paredes, a travs de los huecos que se dejan entre las piedras o ladrillos.Sigue siendo la eleccin ms adecuada para explotar acuferos superficiales, pues su rendimiento es superior al de un sondeo de la misma profundidad. Otra ventaja en los acuferos pobres es el volumen de agua almacenado en el propio pozo.

Dimetro : 1 a 6 metros o ms. Profundidad : generalmente de 5 a 20 m.

Las tcnicas de perforacin son variadas:

La percusin es la ms sencilla (cable y trpano que golpea) y es lenta pero efectiva para profundidades moderadas ( < 150 m) y en ciertas rocas. En la rotacin un tricono tritura la roca, extrayndose los detritus mediante la circulacin de agua. La adicin de Iodos a esta agua puede taponar los niveles acuferos atravesados.La rotopercusin puede avanzar en rocas muy duras a gran velocidad.Se denomina desarrollo a los trabajos posteriores a la perforacin para aumentar el rendimiento de la captacin:extrayendo la fraccin ms fina en materiales detrticos, limpiando restos de Iodos de perforacin o disolviendo la roca con cido en calizas.SONDEOS

SONDEOSSon las captaciones ms utilizadas en la actualidad. Los dimetros oscilan entre 20 y 60 cm. y la profundidad en la mayora de los casos entre 30 my 300 o ms. Se instala tubera ranurada ("rejilla" o "filtro") slo frente a los niveles acuferos, el resto, tubera ciega.

CONO DE DEPRESION EN LAS CERCANIAS DE UN POZO CON BOMBA TRABAJANDO

GALERIAS

DRENES

POZOS ESCAVADOS CON DRENES RADIALES

En acuferos superficiales, para drenar los primeros metros. Profundidad de 2 a 4 metros y longitudes de unas decenas a varios centenares de metros. Se excavan una o varias zanjas, que, siguiendo la pendiente topogrfica, vierten a un pozo colector desde el que se bombea.Se utilizan tanto para explotacin del agua subterrnea poco profunda como para el drenaje necesario para la estabilidad de obras.ZANJAS DE DRENAJE

USO DEL AGUA