Curso: Fecha: 10/11/2008 Profesora de prácticas: Marisol Manzano Arellano. Tel

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1 Asignatura: HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA (ITOP) / HIDROGEOLOGÍA (ITM); UPCT Curso: Fecha: 10/11/2008 Profesora de prácticas: Marisol Manzano Arellano. Tel Práctica 2: TRAZADO E INTERPRETACIÓN DE SUPERFICIES PIEZOMÉTRICAS 1. Objetivos 1. Aprender a trazar las superficies piezométricas de los distintos niveles acuíferos existentes en una zona dada. 2. Interpretar la red de flujo de agua subterránea de una zona a partir de las superficies piezométricas: identificar los niveles acuíferos existentes y el tipo (libre o confinado), el sentido del gradiente hidráulico y del flujo entre los distintos niveles acuíferos y las zonas de recarga y descarga. 2. Fundamentos del método Las superficies piezométricas son representaciones virtuales de la geometría de la superficie que une los puntos que señalan la altura del agua en un acuífero (o sector de acuífero) referida a una determinada profundidad en el mismo. El estudio de las superficies piezométricas permite obtener información básica sobre el movimiento y comportamiento del agua subterránea, como es el caso de la dirección del flujo del agua subterránea, la ubicación de zonas de recarga y descarga del acuífero, la existencia de heterogeneidades hidráulicas tales como cambios de permeabilidad dentro de una misma formación litológica o cambios de acuífero, la existencia de niveles acuíferos libres y confinados superpuestos o adyacentes, la existencia de flujos verticales o laterales entre formaciones distintas, etc Definiciones básicas Acuíferos libres: son aquellos en los cuales el agua del nivel superior de la zona saturada se encuentra a presión atmosférica (Fig. 1). Están constituidos por formaciones geológicas permeables, directamente expuestas a la recarga por parte de la lluvia (impluvio), que contienen la franja saturada del terreno y que, habitualmente, no están saturadas en todo su espesor (cuando lo están, el agua aflora en la superficie del terreno). Al bombear un acuífero libre el agua que se extrae procede directamente del vaciado de los poros; por tanto, conociendo la porosidad del acuífero y el espesor de la zona saturada es fácil calcular el agua disponible en el acuífero (= porosidad saturada). Por debajo del límite superior de la franja saturada, el agua contenida en estos acuíferos está sometida a exclusivamente a la presión hidrostática (presión debida al peso de la columna de agua existente sobre un punto determinado de la zona saturada) más la presión atmosférica. Si la densidad del agua subterránea es 1 g/cm 3 (1 kg/l), la presión 1

2 del agua aumentará 1 kg/cm 2 (1 bar) por cada 10 metros de profundidad. Por tanto, en acuíferos libres con grandes espesores saturados, el agua que está a cierta profundidad por debajo de la superficie freática (varias decenas de m) está sometida a una presión significativamente mayor que la atmosférica. Acuíferos confinados o cautivos: son aquellos en los cuales el agua que contienen está sometida, en cada punto X del acuífero, a una presión mayor a la atmosférica, y que es distinta en cada punto del acuífero (ver más abajo la definición de nivel piezométrico). Los acuíferos confinados son formaciones geológicas permeables totalmente saturadas y situadas entre dos capas o formaciones geológicas de muy baja permeabilidad (Fig. 1). El efecto de la capa superior sobre el acuífero es una sobrecarga o confinamiento que comprime tanto a los materiales (sólidos) como al agua. Aunque el agua tiene un módulo de elasticidad pequeño, al descomprimir mediante bombeo un gran volumen de acuífero se puede obtener un volumen considerable de agua sin vaciar los poros: cuando se bombea un acuífero confinado se produce una disminución de la presión hidrostática proporcional al aumento de la presión litostática (disminuye el volumen de agua contenida en los poros pero disminuye también el tamaño de los poros, aumentando la presión intergranular), de forma que la presión de confinamiento se mantiene constante durante un tiempo. Si la explotación del acuífero continúa en el tiempo, puede inducirse el descenso de nivel piezométrico por debajo del techo del acuífero confinado. En ese caso el acuífero pierde confinamiento localmente y se convierte en libre (también localmente). Nivel freático: cota absoluta (en m sobre el nivel del mar) que corresponde a la parte superior de saturación en un acuífero libre. Es una variable de significado puntual, pues la cota del agua varía espacialmente en el terreno (Fig. 1). Nivel piezométrico: al perforar un pozo en un acuífero confinado, el agua se descomprime y asciende por la entubación hasta alcanzar una posición por situada por encima del techo del acuífero. La altura (cota absoluta sobre el nivel del mar) que alcanza el agua se denomina nivel piezométrico (Fig. 1). Un nivel piezométrico corresponde siempre a la presión existente sobre el punto del acuífero en el cual está ranurado el pozo o sondeo (Fig. 2). Por tanto, cada punto de un acuífero confinado tiene un nivel piezométrico propio y diferente. El nivel piezométrico sólo se manifiesta allí donde existe una perforación. En la parte superior de los acuíferos libres el nivel piezométrico es el nivel freático. Superficie piezométrica: es una superficie (dos dimensiones, X e Y) virtual que representa la geometría que une los puntos que señalan la altura del agua en un acuífero, referida a una determinada profundidad en el mismo. Las superficies piezométricas se representan mediante líneas isopiezas, o líneas virtuales que unen puntos de igual valor del nivel (freático o piezométrico) en el acuífero estudiado. El valor de las isopiezas se debe escribir siempre junto a las mismas (Fig. 3). También se debe procurar que la separación entre isopiezas (en términos de m de cota) sea igual para toda la superficie (equidistancia). Informa de la evolución espacial de la profundidad del agua desde la superficie del terreno, del sentido y valor de los gradientes hidráulicos, de la dirección y sentido del flujo de agua subterránea, etc. Superficie freática: es la superficie que limita superiormente la zona saturada de un acuífero libre. 2

3 Área de recarga del acuífero confinado NF: nivel freático (acuífero libre) NP: nivel piezométrico (acuífero confinado) Acuífero libre Acuífero confinado Acuífero libre NF Terreno confinante Acuífero confinado Pozo surgente (acuífero confinado) NP Acuífero libre Manantial: área de descarga natural del acuífero confinado Fig. 1.- Ilustración de los conceptos de acuífero libre y confinado, nivel freático y piezométrico y pozo surgente. P/ρ w.g z Punto P de medida g h = z + P/ρ w.g Datum (nivel del mar) h = Nivel piezométrico en el punto de medida P (altura que alcanzará el agua dentro del piezómetro desde el datum). z = Energía debida a la elevación del punto P sobre el datum (nivel de referencia). P = Presión que ejerce la columna de agua sobre el punto P. ρ w = Densidad del agua g = Fuerza de gravedad. P/ρ w.g = Representa la longitud de la columna de agua dentro del piezómetro. Fig. 2. Esquematización del concepto de nivel piezométrico. 3

4 Impermeable Río Impermeable Mar Fig. 3.- Superficie piezométrica. El valor de las isopiezas está en m sobre el nivel del mar Trazado de superficies piezométricas Sólo es posible obtener valores del nivel piezométrico en un conjunto de puntos discretos de un acuífero (pozos, sondeos, manantiales). A partir de ellos deben trazarse las curvas de nivel (isopiezas) que sirvan para definir la superficie piezométrica. El trazado de las isopiezas de un acuífero o sector de acuífero requiere, en primer lugar, dos cosas: 1) que los valores de nivel (freático o piezométrico) medidos correspondan a un mismo acuífero; 2) que estén expresados en cotas absolutas (m sobre el nivel del mar). Como lo que se mide en los pozos y sondeos es la profundidad del agua desde un punto concreto del terreno o del borde de la entubación, ese punto debe estar correctamente nivelado para poder transformar la profundidad en cota. Una vez comprobado el requisito 1) y realizada la transformación 2), la determinación del lugar por el cual pasan las isopiezas se realiza mediante interpolación geométrica sobre el mapa (Fig. 4). 15, , ,5 13, , ,1 Fig. 4. Trazado de las líneas isopiezas mediante interpolación a partir de cinco valores de nivel piezométrico medidos. 4

5 Se supondrá que el medio es homogéneo e isótropo y que el nivel varía gradualmente. Pero a la hora de dibujar la traza de las isopiezas se tendrán en cuenta los siguientes requisitos y precauciones: 1. La traza de las isopiezas debe ser coherente con la topografía (Fig. 5). En acuíferos libres la superficie freática no puede estar más alta que el terreno (salvo que se sepa que las isopiezas intersectan la topografía, generando descarga a manantiales, ríos, lagos, barrancos, etc.). En acuíferos confinados las isopiezas sí pueden estar más elevadas que la superficie del terreno: es el caso de los niveles piezométricos de partes profundas del acuífero cerca de la zona de descarga del mismo (Fig. 1, pozo surgente) Isopieza trazada sin considerar la topografía Isopieza trazada 70 considerando la topografía Fig. 5. Diferencia en el trazado de las isopiezas en un acuífero libre situado en una zona de relieve abrupto al tener o no en cuenta la topografía en. Las isopiezas trazadas sin considerar la topografía indicarían que el barranco está lleno de manantiales, cosa que no es cierta (no se indica en el mapa). 2. Las isopiezas deben ser perpendiculares a los límites impermeables del acuífero (Fig. 6a)y paralelas a las superficies y líneas de nivel constante (lagos, mar, etc.) que tengan conexión hidráulica con el acuífero (Fig. 6b). 50 a) 5 4 b) laguna Materiales impermeables línea de costa 1 Línea isopieza y cota Fig. 6. a) Las isopiezas son perpendiculares a los límites impermeables. b) Las isopiezas son paralelas a los cuerpos superficiales de agua de nivel constante (laguna, mar). 5

6 3. Relación entre las líneas de drenaje del acuífero y las isopiezas: las isopiezas se cierran de forma cóncava sobre las líneas que drenan al acuífero (Fig. 7a) y de forma convexa sobre las líneas que son drenadas por el acuífero (Fig. 7b). a) b) Río drenante o efluente Río que recarga o influente Fig. 7. a) Las isopiezas se cierran de forma cóncavas contra las líneas que drenan el acuífero (río) y b) convexas contra las líneas que lo recargan. 4. La separación espacial entre isopiezas será menor cuando aumente el gradiente hidráulico (i) por alguna de estas razones: disminución de la permeabilidad del medio; existencia de una zona de descarga natural del acuífero; existencia de bombeos (Fig. 8). Perfil Isopiezas agua libre agua libre agua libre Fig. 8. La separación entre isopiezas disminuye cerca de áreas de descarga natural y de pozos en bombeo (el gradiente hidráulico aumenta). 5. Las isopiezas cuyo trazado sea deductivo, es decir, no estén apoyadas en niveles medidos, se dibujarán con trazo discontinuo y se indicarán en la leyenda como trazado supuesto. 6. Los puntos con valores de nivel anómalos respecto a los de su entorno deben ser desechados en el trazado de las isopiezas: un valor anómalo sin causa técnica (Ej. bombeos) o hidrogeológica conocida (Ej. cambios espaciales de permeabilidad) puede corresponder a un error de medida, a un nivel de otro acuífero distinto al que se está estudiando, a un pozo/sondeo en deficiente estado de conservación y con conexión hidráulica con el acuífero limitada, a un pozo/sondeo ranurado en varios niveles acuíferos (caso de acuíferos multicapa) y con entrada preferente de agua por uno de esos niveles. 6

7 HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA, ITOP/ITM, UPCT Práctica 2: TRAZADO E INTERPRETACIÓN DE SUPERFICIES PIEZOMÉTRICAS Objetivos: 1. Aprender a trazar las superficies piezométricas de los distintos niveles acuíferos existentes en una zona dada. 2. Interpretar la red de flujo de agua subterránea de una zona a partir de las superficies piezométricas: identificar los niveles acuíferos existentes y el tipo (libre o confinado), el sentido del gradiente hidráulico y del flujo entre distintos niveles acuíferos, la ubicación de las zonas de recarga y descarga y la cuantificación del flujo de agua entre dos isopiezas a lo largo de una línea de flujo.

8 Definiciones básicas: Acuíferos libres 1. El agua del nivel superior de la zona saturada se encuentra a presión atmosférica. 2. Constituidos por formaciones geológicas permeables; directamente expuestas a la recarga por parte de la lluvia (impluvio); contienen la franja saturada del terreno y, habitualmente, no están saturadas en todo su espesor (cuando lo están el agua aflora en la superficie). Área de recarga del acuífero confinado NF: nivel freático (acuífero libre) NP: nivel piezométrico (acuífero confinado) Acuífero libre Acuífero confinado Acuífero libre NF Pozo surgente (acuífero confinado) NP Terreno confinante Acuífero confinado Acuífero libre Manantial: área de descarga natural del acuífero confinado NIVEL DEL MAR

9 Definiciones básicas: Acuíferos confinados o cautivos 1. El agua que contienen está sometida, en cada punto X del acuífero, a una presión mayor a la atmosférica (presión hidrostática + presión litostática). 3. Formaciones geológicas permeables, totalmente saturadas y situadas entre dos formaciones geológicas de muy baja permeabilidad. El efecto de la capa superior sobre el acuífero es una sobrecarga o confinamiento que comprime tanto a los materiales (sólidos) como al agua. Área de recarga del acuífero confinado NF: nivel freático (acuífero libre) NP: nivel piezométrico (acuífero confinado) Acuífero libre Acuífero confinado Acuífero libre NF Pozo surgente (acuífero confinado) NP Terreno confinante Acuífero confinado Acuífero libre Manantial: área de descarga natural del acuífero confinado NIVEL DEL MAR

10 Definiciones básicas: Nivel freático 1. Cota absoluta (en m sobre el nivel del mar) que corresponde a la parte superior de saturación en un acuífero libre. Es una variable de significado puntual, pues la cota del agua varía espacialmente en el terreno. Área de recarga del acuífero confinado NF: nivel freático (acuífero libre) NP: nivel piezométrico (acuífero confinado) Acuífero libre Acuífero confinado Acuífero libre NF Pozo surgente (acuífero confinado) NP NF Terreno confinante Acuífero confinado Acuífero libre Manantial: área de descarga natural del acuífero confinado NIVEL DEL MAR

11 Definiciones básicas: Nivel piezométrico 1. Al perforar un pozo en un acuífero confinado, el agua se descomprime y asciende por la entubación hasta alcanzar una posición por situada por encima del techo del acuífero. La altura (cota absoluta sobre el nivel del mar) que alcanza el agua se denomina nivel piezométrico. Área de recarga del acuífero confinado NF: nivel freático (acuífero libre) NP: nivel piezométrico (acuífero confinado) Acuífero libre Acuífero confinado Acuífero libre NF Terreno confinante NP Acuífero confinado Pozo surgente (acuífero confinado) Acuífero libre NP NP Manantial: área de descarga natural del acuífero confinado NIVEL DEL MAR

12 Nivel piezométrico (cont.): 2. Un nivel piezométrico corresponde siempre a la presión existente sobre el agua en el punto del acuífero en el cual está ranurado el pozo o sondeo (punto A). Por tanto cada punto de un acuífero confinado tiene un nivel piezométrico propio y diferente. 3. El nivel piezométrico sólo se manifiesta allí donde existe una perforación. 4. En la parte superior de los acuíferos libres el nivel piezométrico es el nivel freático. h = Nivel piezométrico en el punto A Altura que alcanza el agua dentro del piezómetro medida desde el nivel del mar. P/ρ w.g z = Energía debida a la elevación del punto A sobre el nivel del mar z Punto A de medida h h= z + P/ρ w.g Datum (nivel del mar) P = Presión que ejerce la columna de agua sobre el punto A ρ w = Densidad del agua g = Fuerza de gravedad P/ρ w.g = Longitud de la columna de agua dentro del piezómetro desde la rejilla

13 Definiciones básicas: Superficie piezométrica 1. Superficie (dos dimensiones, X e Y) virtual que representa la geometría que une los puntos que señalan la altura del agua en un acuífero, referida a la profundidad a la que están ranurados los pozos. 2. Se representa mediante líneas isopiezas, o líneas virtuales que unen puntos de igual valor del nivel (freático o piezométrico) en el acuífero. El valor de las isopiezas se escribe siempre junto a las mismas. La separación entre isopiezas (en términos de m de cota) es igual para toda la superficie (equidistancia). Superficie freática: Es la superficie piezométrica de un acuífero libre, o el límite superior de la zona saturada en un acuífero libre. 2 Impermeable 6 4 Río 8 10 Impermeable Mar m

14 Definiciones básicas: Superficie piezométrica 3. Informa de: - La evolución espacial de la profundidad del agua desde la superficie del terreno. -De ladirección y sentido del flujo de agua (líneas de flujo). - El valor espacial del gradiente hidráulico i y del flujo Q (conocida la permeabilidad k): Impermeable 10 i = Δh/L = 2 m/75 m = 0, Q = K.i.A Para K= 1 m/d, el flujo por una sección unitaria (A = 1 m 2 ) es: L Mar 2 4 Río Impermeable Q = 1 m/d.0,027.1 m 2 = 0,027 m 3 /d m

15 Trazado de superficies piezométricas: Método Consiste en dibujar las isopiezas de un acuífero a partir de valores puntuales del nivel piezométrico medido en un conjunto de puntos discretos (pozos, sondeos, manantiales). El trazado de las isopiezas requiere: 15,1 15,0 15 1) que los valores de nivel (freático o piezométrico) medidos correspondan a un mismo acuífero; 2) que estén expresados en cotas absolutas (m sobre el nivel del mar). 13,5 13, ,0 La determinación del lugar por el cual pasan las isopiezas se realiza mediante interpolación geométrica sobre el mapa 10,1

16 Trazado de superficies piezométricas: Precauciones 1. La traza de las isopiezas debe ser coherente con la topografía. - En acuíferos libres la superficie freática no puede estar más alta que el terreno (salvo que se sepa que las isopiezas intersectan la topografía, generando descarga a manantiales, ríos, lagos, barrancos, etc.). - En acuíferos confinados las isopiezas sí pueden estar más elevadas que la superficie del terreno (caso de los niveles piezométricos de partes profundas del acuífero cerca de la zona de descarga del mismo) Línea de nivel 80 Isopieza trazada sin considerar la topografía Isopieza trazada considerando la topografía 60 52

17 Trazado de superficies piezométricas: Precauciones 2. Las isopiezas deben ser perpendiculares a los límites impermeables del acuífero y paralelas a las superficies y líneas de nivel constante (lagos, mar, etc.) que tengan conexión hidráulica con el acuífero. a) 5 b) laguna Materiales impermeables línea de costa 1 Línea isopieza y cota

18 Trazado de superficies piezométricas: Precauciones 3. Relación isopiezas-líneas de drenaje del acuífero (ríos, zonas lineales de descarga): - Las isopiezas se cierran de forma cóncava* sobre las líneas que drenan al acuífero -Yde forma convexa* sobre las líneas que son drenadas por el acuífero * Siempre mirando en el sentido del flujo del río a) b) Río drenante o efluente Río que recarga o influente

19 Trazado de superficies piezométricas: Precauciones 4. La separación espacial entre isopiezas será menor cuando aumente el gradiente hidráulico (i) por alguna de estas razones: a) Disminución de la permeabilidad del medio; b) Existencia de una zona de descarga natural del acuífero; c) Existencia de bombeos, etc. Perfil Isopiezas agua libre agua libre agua libre

20 Trazado de superficies piezométricas: Observaciones 1. Las isopiezas cuyo trazado sea deductivo (no estén apoyadas en niveles medidos) se dibujarán con trazo discontinuo y se indicarán en la leyenda como trazado supuesto. 2. Los puntos con valores de nivel anómalos respecto a los de su entorno deben ser desechados en el trazado de las isopiezas: Un valor anómalo sin causa técnica (Ej. bombeos) o hidrogeológica conocida (Ej. cambios espaciales de permeabilidad) puede corresponder a: 1) un error de medida, 2) un nivel de otro acuífero distinto al que se está estudiando, 3) un pozo/sondeo en deficiente estado de conservación y con conexión hidráulica con el acuífero limitada, 4) un pozo/sondeo ranurado en varios niveles acuíferos (caso de acuíferos multicapa) y con entrada preferente de agua por uno de esos niveles, etc.

21 Práctica 2. Ejercicios para casa 1. 1.a. Indicar cuántos acuíferos hay y su carácter libre o confinado. 1.b. Indicar la elevación teórica del agua en el sondeo S2. 1.c. Decir cuál es la fuente de alimentación hídrica más probable del humedal. 1.d. Sabiendo que el cauce lleva agua estacionalmente, decir cuál o cuáles cabe esperar que sean sus fuentes de alimentación. 1.e. Sabiendo que los limos de la izquierda del corte tienen una conductividad hidráulica de K = 10-1 m/d, decir si cabe esperar que haya transferencia de agua a través de los mismos a la altura del sondeo S2. En caso afirmativo, indicar lo siguiente: 1) Cuál es el sentido del flujo de agua subterránea?. 2) Estimar un valor orientativo del flujo de Darcy (Q/A) y justificarlo.

22 2. 2.a. Trazar las curvas isopiezas (es imprescindible escribir el valor de las mismas). 2.b. Describir la relación río-acuífero a lo largo de todo el cauce diciendo si el río es efluente o influente y dónde. 2.c. Dibujar líneas de flujo indicativas de la trayectoria del agua en el acuífero. Sabiendo que en el P20 la conductividad hidráulica medida es de K = 50 m/d y el espesor saturado del acuífero de 15 m, calcular el flujo de agua dulce al mar por unidad de superficie en la margen izquierda del río entre la isopieza más cercana al mar y la de cota 0 msnm (cero). P6 P P5 P9 P P10 50 P12 40 Presa P2 42 P1 Cota del agua 50 en el cierre: 100 msnm P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 Filitas P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 Cota terreno (msnm) Muy 60 baja 55 permeabilidad ,5 8,5 Profundidad agua (m) Areniscas 9 5 y conglomerados Nivel piezométrico (msnm) P Permeabilidad media Arenas y gravas Permeabilidad alta ,5 7,5 50 P18 Pozo 18 P14 40 Laguna Río 38 P16 P13 32 P17 28 P18 P19-6 P P3 P20 12,5 P P217,5 0 1 km