conceptos en hidrogeologia

46
M C R K G V El agua subterránea y agua superficial interactuar a lo largo de todos los paisajes de las montañas a los océanos, como se muestra en este diagrama de un marco conceptual paisaje. M, montañosa, K, karst, G, glacial; R, fluviales (pequeño); V, fluviales (grande), C, costera.

Upload: rennzo-silva-arteaga

Post on 22-Jan-2018

500 views

Category:

Engineering


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Conceptos en hidrogeologia

M

CR

K

G

V

El agua subterránea y agua superficial interactuar a lo largo de todos lospaisajes de las montañas a los océanos, como se muestra en este

diagrama de un marco conceptual paisaje. M, montañosa, K,

karst, G, glacial; R, fluviales (pequeño); V, fluviales (grande), C, costera.

Page 2: Conceptos en hidrogeologia
Page 3: Conceptos en hidrogeologia

¿QUÉ ES EL AGUA SUBTERRÁNEA?El agua subterránea es aquella que se localiza en el subsuelo; es la que sealmacena y circula en y a través de las formaciones geológicas. Globalmente se

cifra en unos 7 millones de km3, lo que supone tan sólo algo más del 0,5% del total deagua presente en el planeta; sin embargo, excluyendo el hielo de los glaciares ycasquetes polares, este volumen representa en torno al 97% del agua dulce continental(Clarke et al., 1996) –frente a menos del 3% del agua de los ríos y lagos-, por lo que supresencia resulta crucial, tanto para satisfacer las necesidades humanas como para elmantenimiento de los ecosistemas acuáticos,

Page 4: Conceptos en hidrogeologia

¿CÓMO SE ALMACENA EL AGUA SUBTERRÁNEA EN EL SUBSUELO?

El agua que, tras un episodio de precipitación, penetra a través del suelo forma un frentede humedad descendente que puede llegar a alcanzar sectores del subsuelo (donde seacumula en los poros y fisuras de las rocas allí existentes (zona de saturación), circulandoa través de ellas, o quedar retenida a lo largo de su trayecto descendente hacia aquellossectores (zona de aireación o no saturada), dando lugar a la denominada humedad delsuelo, en gran medida utilizada por las plantas para su crecimiento y desarrollo.

Page 5: Conceptos en hidrogeologia
Page 6: Conceptos en hidrogeologia
Page 7: Conceptos en hidrogeologia

Del agua subterránea las trayectorias de flujo varíanmucho en longitud, profundidad y regresa desde lospuntos de recarga a los puntos de vertido en el aguasubterránea sistema.

Page 8: Conceptos en hidrogeologia
Page 9: Conceptos en hidrogeologia
Page 10: Conceptos en hidrogeologia

Debe quedar claro, por lo tanto, que el agua subterránea almacenada en el subsuelo se

encuentra ocupando los poros, fisuras y huecos en general de los materiales queallí se localizan, de forma análoga, en la mayoría de los casos, a como lo hace el aguaque empapa una esponja.

Page 11: Conceptos en hidrogeologia
Page 12: Conceptos en hidrogeologia

¿QUÉ SON LOS ACUÍFEROS?Con esa denominación nos referimos a las formaciones geológicas que almacenan ypermiten la fácil circulación del agua subterránea. Una formación geológica es un cuerporocoso de dimensiones apreciables producto de la dinámica terrestre; un depósito deduna, una barra litoral, los aluviones de un río, un batolito granítico, una colada volcánica,etc., son formaciones geológicas.

CLASIFICACIÓN DE LAS FORMACIONES GEOLÓGICAS SEGÚN SUCOMPORTAMIENTO HIDROGEOLÓGICO

Acuífero (del latín fero, llevar).‐ Formación geológica que contiene agua en cantidadapreciable y que permite que circule a través de ella con facilidad.

Ejemplos: Arenas, gravas. También granito u otra roca compacta con una fracturaciónimportante.

Acuicludo (del latín cludo, encerrar).‐ Formación geológica que contiene agua en cantidadapreciable y que no permite que el agua circule a través de ella .

Ejemplo: Limos, arcillas. Un m3 de arcillas contiene más agua que el mismo volumen dearenas, pero el agua esta atrapada, no puede salir por gravedad, y por tanto no podrácircular en el subsuelo ni en condiciones naturales ni hacia un pozo que esté bombeando.

Page 13: Conceptos en hidrogeologia

Acuitardo (del latín tardo, retardar, impedir).‐ Formación geológica que contiene agua encantidad apreciable pero que el agua circula a través de ella con dificultad.Evidentemente se trata de un concepto intermedio entre los dos anteriores.

Ejemplos: Arenas arcillosas, areniscas, rocas compactas con alteración y/o fracturaciónmoderadas.

Acuífugo (del latín fugo, rechazar, ahuyentar).‐ Formación geológica que no contiene aguaporque no permite que circule a través de ella.Ejemplo: granito o esquisto inalterados y no fracturados

De estas cuatro denominaciones, es la menos utilizada.

No se trata de definiciones en sentido estricto, ya que no tienen unos límites precisos quepermitan delimitar si una formación concreta entra o no en la definición, pero son términosutilizados constantemente en la bibliografía hidrogeológica.

Page 14: Conceptos en hidrogeologia

¿CUÁLES SON LOS TIPOS DE ACUÍFEROS?

Los acuíferos se pueden clasificar por la naturaleza del material constituyente y suposible alteración o afectación estructural: así se distingue entre acuíferos porosos odetríticos (con poros intergranulares), acuíferos kársticos (con cavidades y conductosgenerados por disolución de la roca original) y acuíferos fisurados (con fracturas abiertasque permiten el alojamiento y la circulación del agua subterránea).

Page 15: Conceptos en hidrogeologia
Page 16: Conceptos en hidrogeologia
Page 17: Conceptos en hidrogeologia
Page 18: Conceptos en hidrogeologia
Page 19: Conceptos en hidrogeologia

¿CUÁLES SON LOS TIPOS DE ACUÍFEROS?

En los acuíferos 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 dondellega el agua se denomina superficie freática; cuando esta superficie es cortada por un pozose habla del nivel freático en ese punto y esta sometida a la presión atmosférica.

En los acuíferos libres se habla de espesor saturado, que será menor o igual que el espesordel estrato o formación geológica correspondiente. (Figura página siguiente)

Page 20: Conceptos en hidrogeologia

En los acuíferos confinados el agua se encuentra a presión, de modo que si extraemosagua de él, ningún poro se vacía, la extracción procede de la descompresión del agua y enmenor medida de la compresión de la matriz sólida. Si esa compresión del acuífero esnotoria y no es reversible, llegarán a producirse asentamientos y subsidencia del terreno.

La superficie virtual formada por los puntos que alcanzaría el agua si se hicieran

infinitas perforaciones en el acuífero, se denomina superficie piezométrica, y en

un punto concreto, en un pozo, se habla de nivel piezométrico (en griego: piezo =presión).

Page 21: Conceptos en hidrogeologia
Page 22: Conceptos en hidrogeologia

Mas frecuentes que los acuíferos confinados perfectos son los acuíferos semiconfinados.Son acuíferos a presión (por tanto entrarían en la definición anterior de acuíferosconfinados), pero que alguna de las capas confinantes son semipermeables, acuitardos, y através de ellas le llegan filtraciones o rezumes (en inglés: leaky aquifers)Vemos en la figura adjunta, un acuífero libre y un semiconfinado separados por unacuitardo. Se aprecia que el nivel del agua en el libre es mas alto que en el sondeo que cortael acuífero profundo (la entubación de este sondeo solo estaría ranurada en el acuíferoinferior).

Por tanto, aunque lapermeabilidad del acuitardosea muy baja, se producirá unflujo de agua a través delmismo hacia abajo. Nosiempre la alimentación debellegarle desde arriba: si bajo elsemiconfinado hubiera otroacuitardo, y más abajo unacuífero con una presiónmayor, se produciría unafiltración vertical ascendente.

Page 23: Conceptos en hidrogeologia

Esta imagen de un acuífero de arena y grava en Suiza muestra la variabilidadnatural de los acuíferos en el mundo real. El material del acuífero es heterogéneay su distribución es muy detallado, lo cual es difícil de caracterizar con claridad.

http://www.egr.msu.edu/igw/DL/index.htm

Page 24: Conceptos en hidrogeologia

Fotografía de un acuífero de arena y grava en el rio San Lucas, (Flujo Base en el Valle dela ciudad de Cajamarca. Excavaciones realizadas para la construcción de la zapatas delPuente la Huanga

Page 25: Conceptos en hidrogeologia

Fotografía de un acuífero de arena y grava en el rio San Lucas, (Flujo Base en el Valle dela ciudad de Cajamarca. Excavaciones realizadas para la construcción de la zapatas delPuente la Huanga

Page 26: Conceptos en hidrogeologia

Fotografía de un acuífero aluvial en pleno valle de la ciudad de Cajamarca. Presencia dehumedad en las excavaciones realizadas para la construcción de la zapatas del Puente laHuanga , en el cauce del río San Lucas.

Page 27: Conceptos en hidrogeologia

Clasificación de la superficie del agua subterránea en agua interacciones: (A) conecionpor perdida de los humedales; (B) desconectado perdiendo humedales; (C) de loshumedales de flujo continuo, y la obtención de (D) de los humedales.

Page 28: Conceptos en hidrogeologia

Corrientes ganando reciben agua de lasuelo-agua del sistema (A). Esto puededeterminarse a partir de mapas de isopiezas,porque las curvas de nivel en un puntodeterminado cruza en la dirección del flujodesde aguas arriba. Flujo Base (B)

La pérdida de flujos de agua en el suelo-aguasistema (A). Esto puede determinarse a partirde agua de mapas de isopiezas contorno yaque el contorno de líneas en el punto aguasabajo donde se cruzan la corriente (B).

Page 29: Conceptos en hidrogeologia
Page 30: Conceptos en hidrogeologia
Page 31: Conceptos en hidrogeologia
Page 32: Conceptos en hidrogeologia

Porosidad total y eficaz

Porosidad total:

m = Volumen de huecos/ volumen total

Puede expresarse en % ó en tanto por 1 (en cualquier caso es adimensional). Es decir que28% es equivalente a 0,28, pero dejando claro cómo se está expresando, porque tambiénpuede existir una porosidad extremadamente baja del 0,28%

Porosidad eficaz o efectiva:

me = Volumen de agua drenada por gravedad/volumen total

Se expresa igual que la porosidad total (% ó en tanto por 1).Retención específica: Diferencia entre los dos parámetros anteriores.

¿CUÁLES SON LAS PROPIEDADES QUE DEFINEN LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTOY TRANSMISIÓN DEL AGUA EN UN ACUÍFERO?

Parece evidente que cuanto mayor sea el volumen de poros (intersticios, fisuras uoquedades en general) de que dispone un material, más agua puede almacenar; así pues,cabe pensar en principio que los materiales más porosos son los más interesantes desde elpunto de vista hidrogeológico. Como veremos enseguida, esto no es del todo cierto.

Page 33: Conceptos en hidrogeologia
Page 34: Conceptos en hidrogeologia
Page 35: Conceptos en hidrogeologia
Page 36: Conceptos en hidrogeologia

Ejemplo:Disponemos de 1 m3 de arena seca, leintroducimos agua hasta que esté completamentesaturado (todos los poros llenos de agua).

Supongamos que para ello hemos necesitado 280litros. Después dejamos que el agua contenidaescurra libremente; supongamos querecogiéramos 160 litros. Evidentemente los 120litros que faltan se han quedado mojando losgranos.Con estos datos podemos calcular:

1 m3 = 1000 dm3 ≈ 1000 litrosm = 280 /1000 = 0,28 ≈ 28%

me = 160 / 1000 = 0,16 ≈ 16%Retención específica = 0,28 ‐ 0,16 = 0,12 ≈ 12%

La definición de porosidad eficaz no es tan simple como se indica más arriba. Unadefinición más correcta sería: “el volumen de huecos disponible para el flujorespecto del volumen total”. En inglés (americano) coexisten dos conceptos similaresque no tienen equivalente en español: Specific yield (rendimiento específico) yeffective porosity (porosidad efectiva):

Page 37: Conceptos en hidrogeologia

• Specific yield (rendimiento específico) nos informa delvolumen de agua que podemos obtener de un medioporoso saturado.

• Effective porosity (porosidad efectiva) se refiere alvolumen de huecos disponible para la circulación delagua.(En ambos casos respecto del volumen total)

Aproximadamente son equivalentes: el agua que quedaadherida a los granos y que no se mueve por gravedadtampoco permite el flujo.

En la figura adjunta representamos en rayado el agua adherida a los granos; los huecosque quedan (en el dibujo en blanco) representan tanto el agua extraíble como la secciónutilizable por el flujo del agua subterránea. En un laboratorio se puede medir el specificyield, pero no existe un método experimental para obtener el valor de la effectiveporosity (la sección utilizada por el flujo).

Por todo ello, si disponemos de un valor numérico, generalmente lo asignaremos a ambos conceptos. No obstante,en ocasiones se distinguen: por ejemplo en el modelo de flujo MODFLOW, se solicitan valores de specific yield y deeffective porosity.

En español no se utilizan dos términos distintos, en el uso cotidiano para ambos se dice “porosidadeficaz”, aunque muchos autores han utilizado la expresión “rendimiento específico”

Page 38: Conceptos en hidrogeologia

Tras su formación, estas fisuras pueden ser ocluídas por los minerales arcillososresultantes de la alteración, o por el contrario la disolución hace aumentar la abertura, aveces hasta formar amplios conductos (especialmente en calizas). Normalmente, estasfisuras son fracturas producidas por esfuerzos tectónicos, pero pueden deberse a otrascausas: enfriamiento (rocas volcánicas), planos de descompresión o discontinuidadessedimentarias, etc. Se denomina porosidad primaria a la que resulta al originarse laformación geológica. Porosidad secundaria será cualquier abertura que se produzcaposteriormente.

POROSIDAD PRIMARIA Y SECUNDARIA

Al hablar de porosidad, intuitivamente se piensa en los poros de un material detrítico,pero las rocas compactas también pueden contener cierta proporción de agua en suinterior en sus fisuras.

Porosidad intergranular Porosidad por fisuración

Page 39: Conceptos en hidrogeologia

FACTORES

En el caso de la porosidad intergranular, la porosidad total no depende del tamaño degrano (piénsese que el % de huecos en el dibujo anterior sería el mismo si loreprodujéramos ampliado o reducido). En cambio la porosidad eficaz sí se ve muy afectadapor el tamaño de grano: si es más fino, la retención específica aumenta.Tanto la total como la eficaz dependen de: La heterometría: los finos ocupan los poros que dejan los gruesos y la porosidad

disminuye. La forma y disposición de los granos. La compactación, cementación y recristalización, que van a ir disminuyendo la

porosidad.

PERMEABILIDAD Y TRANSMISIVIDAD

Permeabilidad es un concepto común y no haría falta definirlo: la facilidad que un cuerpoofrece a ser atravesado por un fluido, en este caso el agua.En Hidrogeología, la permeabilidad (o mejor: conductividad hidráulica, K) es un conceptomás preciso. Es la constante de proporcionalidad lineal entre el caudal y el gradientehidráulico:

Page 40: Conceptos en hidrogeologia
Page 41: Conceptos en hidrogeologia
Page 42: Conceptos en hidrogeologia

Veremos esto en detalle más adelante. Basta aquí comprender que el gradiente es como lapendiente que obliga a una bola rodar por un plano inclinado. Aquí obliga al agua a circular através del medio poroso, y, lógicamente, a mayor gradiente, circulará mayor caudal.La ecuación anterior es la Ley de Darcy, y la citamos aquí sólo para definir el concepto depermeabilidad y obtener sus unidades: despejando en la fórmula anterior se comprueba que lasunidades de K son las de una velocidad (L/T). En el Sistema Internacional serían m/seg., pero paramanejar números más cómodos, por tradición se continúa utilizando metros/día.En Geotecnia y otras ramas de ingeniería se utiliza el cm/ seg.

Page 43: Conceptos en hidrogeologia

TransmisividadSi observamos el dibujo intuimos que los dos estratos acuíferos deben proporcionar elmismo caudal: uno tiene la mitad de permeabilidad, pero el doble de espesor que el otro.

Efectivamente, el parámetro que nos indica la facilidad del agua para circularhorizontalmente por una formación geológica es una combinación de la permeabilidad ydel espesor:

Transmisividad = Permeabilidad ∙ Espesor

Como las unidades de la permeabilidad son L/T y las del espesor L, las unidades de laTransmisividad serán L2/T. Por ejemplo: m2/día, o cm2/seg.En el ejemplo mostrado en el dibujo anterior, la transmisividad en ambos casos sería de 150m2/dia.

Page 44: Conceptos en hidrogeologia

Transmisividad en acuíferos libres y confinados:En un confinado su espesor es constante, luego la Transmisividad también es constante.En un acuífero libre su espesor saturado varía con las oscilaciones de la superficiefreática, con lo que varía también su Transmisividad

COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTOHemos visto que el volumen de agua que proporciona un acuífero libre se puede calcularmediante la porosidad eficaz. Pero este parámetro no nos sirve en el caso de los acuíferosconfinados: cuando proporcionan agua, todos sus poros continúan saturados, sólodisminuye la presión, de modo que el dato de la porosidad eficaz no indica nada.Necesitamos un parámetro que indique el agua liberada al disminuir la presión en elacuífero.

Coeficiente de almacenamiento (S) es el volumen de agua liberado por una columna debase unidad y de altura todo el espesor del acuífero cuando el nivel piezométricodesciende una unidad.En la figura (a) se representa el concepto: en una columna de 1 m2 de acuífero, lasuperficie piezométrica ha descendido 1 metro al extraer un volumen S.Es evidente que el concepto de porosidad eficaz encaja perfectamente en la definición decoeficiente de almacenamiento (figura b): si consideramos 1 m2 de acuífero libre yhacemos descender 1 metro su superficie freática el volumen de agua que habremosextraído será la porosidad eficaz (me).

Page 45: Conceptos en hidrogeologia

El acuífero libre nosproporciona elvolumen me porvaciado del m3superior (el volumenque aparece en eldibujo entre las dosposiciones de alsuperficie freática),mientras que en elacuífero cautivo,cuando el niveldesciende 1 m, es todala columna de acuíferoque aporta el volumende agua S.

Page 46: Conceptos en hidrogeologia

El coeficiente de almacenamiento es, como la porosidad eficaz, adimensional (volumen /volumen), y los valores que presenta son mucho más bajos en los confinados perfectosque en los semiconfinados. Los valores típicos serían éstos:

Acuíferos libres: 0,3 a 0,01 (3.10‐1 a 10‐2)Acuíferos semiconfinados: 10‐3 a 10‐4

Acuíferos confinados: 10‐4 a 10‐5

RESUMENLa personalidad hidrogeológica de cualquier roca o formación geológica está definida pordos factores: