REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE CIENCIAS INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA TEMA 4 DINÁMICA DE LAS AGU

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1 REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE CIENCIAS INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA HIDROGEOQUÍMICA Prof. Prof. Ramón Luis Montero M. Correos electrónicos:

2 REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE CIENCIAS INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA TEMA 4 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS 2

3 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas Nivel del agua dentro del sondeo Entubado Bomba sumergida Filtro o rejilla Pozos excavados: Es probablemente el tipo de captación más antiguo.. antiguo Diámetro= 1 a 6 metros o más Profundidad= generalmente 5 a 20 metros. Acuífero Relleno o empaque de grava Sondeos: Son las captaciones más utilizadas en la actualidad.. Los diámetros oscilan entre 20 y 60 actualidad cm.. y la profundidad en la mayoría de los casos cm entre m. y 300 o más más..

4 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas Galerías: Ya existían galerías para agua en Mesopotamia en el siglo IV a. C. Con una ligera pendiente, el agua sale al exterior por gravedad, sin bombeo.. Se excavan igual que en minería bombeo minería.. Drenes: Similares a las galerías, pero son tubos de pequeño diámetro, perforados con máquina, normalmente hasta unas decenas de metros. Son más utilizados para estabilidad de laderas que para la utilización del agua.

5 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas Pozos excavados con drenes radiales:: radiales Se utilizan en los mismos casos que los excavados pero con mayor rendimiento rendimiento.. Generalmente en buenos acuíferos superficiales cuando se requieren grandes caudales caudales.. Zanjas de drenaje drenaje:: En acuíferos de muy poco espesor espesor.. Profundidad de 2 a 4 metros y longitudes de unas decenas a varios centenares de metros metros.. Se excavan una o varias zanjas, que, siguiendo la pendiente topográfica, vierten a un pozo colector desde el que se bombea bombea.. Se utilizan tanto para explotación del agua subterránea poco profunda como para el drenaje necesario para la estabilidad de obras obras..

6 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Pozos: Aspectos importantes de la hidrogeología aplicada, usados para extraer agua subterránea, a fin de satisfacer necesidades domésticas, agrícolas, pecuarias, industriales y de consumo consumo..

7 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Cono de bombeo o cono de depresión Cono formado en los alrededores del pozo de bombeo, tanto como el nivel del agua declina declina.. A través de las pruebas de bombeo pueden ser determinados parámetros de los acuíferos como transmisividad y almacenamiento almacenamiento.. El flujo en el cual el frente cambia con el tiempo es llamado flujo no estacionario estacionario..

8 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Consideraciones básicas El acuífero está limitado en su base por una capa confinante confinante.. Todas las formaciones geológicas son horizontales y de extensión horizontal infinita infinita.. La superficie potenciométrica del acuífero es horizontal, previo a la inicialización del bombeo.. bombeo La superficie potenciométrica del acuífero no cambia con el tiempo, previo al comienzo del bombeo bombeo.. Todos los cambios en la posición de la superficie potenciométrica es debido solamente al efecto del pozo de bombeo bombeo.. El acuífero es homogéneo e isotrópico isotrópico.. Todo el flujo es radial hacia el pozo pozo.. El flujo del agua subterránea es horizontal horizontal.. La ley de Darcy es válida válida.. El agua subterránea tiene una densidad y viscosidad constante constante.. El pozo de bombeo y los pozos de observación son completamente penetrantes penetrantes;; es decir, atraviesan enteramente el espesor del acuífero acuífero.. El pozo de bombeo tiene un diámetro infinitesimal y es % % eficiente eficiente..

9 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo Flujo en un acuífero completamente confinado El primer análisis matemático del comportamiento del abatimiento en un acuífero confinado fue publicado por Theis ( )). Theis asumió las siguientes consideraciones en adición a las antes citadas:: citadas El acuífero está confinado tanto en el tope como en la base base.. No existe un fuente de recarga vertical al acuífero El acuífero es explotable y el agua es instantáneamente perdida desde el acuífero como el frente disminuye disminuye.. El acuífero es bombeado a una relación constante constante..

10 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo Flujo en un acuífero completamente confinado

11 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo Flujo en un acuífero completamente confinado s= Basado en las consideraciones anteriores, Theis derivó una ecuación de flujo de agua hacia un pozo Ecuación de Theis o de no equilibrio Q ʃμ e-μ δμ 4 ΠT μ donde μ= r2s/4tt s= abatimiento; S= coeficiente de almacenamiento T= Transmisividad Q= gasto t= tiempo μ= radio virtual del cono en el acuífero

12 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo T determinada en el campo varía entre 12 12,,4 y m3/día/m T < 12 12,,4 improductivos improductivos;; T > 124 valiosos S acuíferos libres varía entre 0,01 y 0,35 35;; acuíferos confinados 1x10-5 y 1x10-3

13 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo Flujo en un acuífero débilmente confinado Muchos acuíferos confinados no están totalmente aislados de una fuente de recarga vertical vertical.. Los acuitardos, ubicados al tope o en la base del acuífero, pueden ceder lentamente agua hacia el acuífero, si la dirección del frente hidráulico es favorable.. favorable Hantush ( )) tomó las siguientes consideraciones en adición a las tomadas por Theis:: Theis El acuífero está limitado hacia el tope por un acuitardo acuitardo.. al acuitardo le suprayace un acuífero no confinado, conocido como el lecho fuente.. fuente El nivel freático en el lecho fuente, no cae durante el bombeo del acuífero acuífero.. El flujo del agua subterránea en el acuitardo es vertical vertical.. El acuífero es explotable y el agua drena instantáneamente con la declinación en el frente frente.. El acuitardo es no explotable, de tal manera que no existe pérdida desde el almacenaje en el acuitardo cuando el acuífero es bombeado bombeado..

14 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo Flujo en un acuífero débilmente confinado Basado en las consideraciones anteriores, Hantush y Jacob ( )) derivaron una ecuación de flujo Fórmula Hantush Hantush--Jacob s= Q W( W(µ µ,r/b); donde μ= r2s/4tt y B= (Tb (Tb /K /K )1/2 4 ΠT s= abatimiento; S= coeficiente de almacenamiento; T= Transmisividad Q= gasto t= tiempo desde el comienzo del bombeo W(u,r/B)= función del pozo débilmente artesiano B= factor de pérdida; b b = espesor del acuitardo; K = conductividad hidráulica del acuitardo

15 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo Flujo en un acuífero débilmente confinado

16 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo Flujo en un acuífero no confinado Neuman ( )) tomó en cuenta las siguientes consideraciones, aunadas a las citadas por Theis Theis:: El acuífero es no confinado confinado.. La zona vadosa no tiene influencia sobre el abatimiento abatimiento.. El agua inicialmente bombeada proviene de la pérdida instantánea del agua a partir del almacenaje almacenaje.. Eventualmente el agua proviene del almacenaje debido al drenaje por gravedad de los poros interconectados interconectados.. El abatimiento es despreciable comparado con el espesor del acuífero saturado.. saturado El acuífero puede ser, pero no es lo deseable, anisotrópico con una conductividad hidráulica radial diferente que la referida a la conductividad hidráulica vertical vertical..

17 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Determinación del abatimiento causado por un pozo de bombeo Flujo en un acuífero no confinado s= Con estas consideraciones Neuman propuso la conocida conocida:: Solución de Neuman Q W( W(µ µa,µb,γ); donde μa= r2s/4tt, μb= r2sy/4tt y Γ= r2kv/b2kh 4 ΠT s= abatimiento; S= coeficiente de almacenamiento; r= distancia radial desde el pozo de bombeo T= Transmisividad; Sy= rendimiento específico Q= gasto t= tiempo desde el comienzo del bombeo W(µA,µB,Γ)= función del pozo para el acuífero freático W(µ B= factor de pérdida; b b = espesor del acuitardo; Kh= conductividad hidráulica horizontal Kv= conductividad hidráulica vertical b= espesor inicial saturado del acuífero

18 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Condiciones de flujo de no equilibrio Muchas pruebas realizadas sobre acuíferos nunca alcanzarán el equilibrio equilibrio;; esto es, el cono de depresión continuará creciendo con el tiempo Condiciones de no equilibrio equilibrio.. Método de Theis Theis:: se requiere de un pozo de observación T= Q W( W(µ µ); donde S= 4Tµ 4Tµt/ t/rr2 4 Πs s= abatimiento; S= coeficiente de almacenamiento; r= distancia radial desde el pozo de bombeo T= Transmisividad; µ= constante adimensional Q= gasto t= tiempo desde el comienzo del bombeo W(u,r/B)= función del pozo (adimensional)

19 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Condiciones de flujo de no equilibrio en acuífero confinado Método de Jacob Jacob:: T= 2,3Q log(2,25tt/r2s) 4 Πs Método de Jacob de la línea recta T= 2,3Q ; 4 ΠΔs S= 2,25Tt0 y T= Kb r2 Δs= (s (s0-s)= abatimiento; S= coeficiente de almacenamiento r= distancia radial al pozo de bombeo T= Transmisividad; Q= gasto t0= tiempo donde la línea recta intersecta el eje en el cero abatimiento K= conductividad hidráulica b= espesor del acuífero

20 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Obras de captación de las aguas subterráneas: pozos Resumiendo Método de Theis ( )) T= Q W( W(µ µ); donde S= 4Tµ 4Tµt/r2 4 Πs Método de Jacob de la línea recta ( )) T= 2,3Q log (t2/t1)= 0,183 Q; Q; 4 ΠΔ ΠΔss Δs Eficiencia del pozo Q/s S= 2,25Tt0 y T= Kb r2

21 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Pruebas de bombeo

22 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Pruebas de bombeo Durante el bombeo de agua, puede producirse la intersección del cono de abatimiento de una capa impermeable, de un reservorio de agua superficial, con otro cono de abatimiento, entre otros otros.. Dicho proceso puede ser reflejado durante las pruebas de bombeo, a través de un cambio evidente a final de la línea recta obtenida.. obtenida

23 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES Pruebas de bombeo Los objetivos principales de la hidráulica de captaciones de agua subterránea durante las pruebas de bombeo son son:: Obtener métodos para determinar las características físicas y de funcionamiento de los acuíferos acuíferos:: parámetros hidrogeológicos K, T, S Permitir la predicción razonable del comportamiento a corto y largo plazo de una captación de agua, los caudales que podrá extraer, su régimen óptimo de explotación y sus efectos sobre el acuífero y otras captaciones vecinas vecinas.. K y s, necesarios para el diseño de pozos Cálculos de abatimiento (s) Suministrar métodos teóricos teóricos--prácticos para el proyecto de captaciones captaciones:: manejo óptimo del recurso Condiciones teóricas para aplicar ecuaciones de hidráulica de pozos pozos:: Pozo totalmente penetrante en el acuífero Acuífero horizontal de extensión infinita Medio homogéneo e isotrópico Flujo radial

24 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Porosidad de rocas plutónicas y metamórficas Porosidad primaria: durante formación de rocas Porosidad secundaria: impulsada por meteorización y fracturamiento Poseen una muy baja porosidad. Ejemplo: Granito profundo 1,42% (Norte de Illinois a 1600 m).a menor profundidad es de 2,15%. Porosidad total de las rocas plutónicas y metamórficas no alteradas inferior a 3%, por lo general inferior a 1%. Rocas plutónicas y metamórficas meteorizadas: 30% a 60%. Calidad del agua: agua: generalmente excelente, exceptuando regiones áridas.

25 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Porosidad de rocas plutónicas y metamórficas

26 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRANEAS Porosidad de rocas plutónicas y metamórficas

27 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Porosidad de rocas plutónicas y metamórficas

28 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Porosidad de rocas plutónicas y metamórficas Dolomita y mármoles mármoles:: dureza entre moderada y elevadas Serpentinitas, gabros, anfibolitas anfibolitas:: elevadas concentraciones de Mg con respecto al Ca Ca.. Diorita y sienita sienita:: sílice disuelta (25 y 55 mg/l) Cuarcitas, pizarras y filitas filitas:: sílice diuelta < 30 mg/l

29 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Porosidad de rocas plutónicas y metamórficas

30 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Porosidad de rocas plutónicas y metamórficas

31 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Porosidad de rocas plutónicas y metamórficas

32 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRANEAS Porosidad de rocas volcánicas Porosidad primaria primaria:: enfriamiento rápido (textura vesicular), superficie de contacto entre coladas de lava, lava tubo, etc etc.. Porosidad secundaria secundaria:: meteorización y fracturamiento fracturamiento.. Porosidad de basalto basalto:: 1% a 12 12% %; piedra pómez (roca vítrea con alto contenido de gases):: hasta 87 gases) 87% %. Material piroclástico como la tefra tefra:: 14 14% % a 40 40% %. La meteorización de las rocas volcánicas pueden elevar su porosidad a volores superiores a 60 60% %. Calidad del agua: Excelente calidad química.cálcicoquímica.cálcico-magnésico magnésico--bicarbonatadas (rocas volcánicas básicas) ó sódicosódico-bicarbonatadas (rocas volcánicas ácidas), con grandes cantidades de sílice disuelta. Baja calidad química: asociadas a surgencias termales.

33 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRANEAS Porosidad de rocas volcánicas

34 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRANEAS Depósitos no consolidados Porosidad varía desde 20 20% % (aluviones mal clasificados), aproximadamente un 90 90% % (fango y material orgánico desecado) hasta Calidad del agua agua:: Generalmente buena buena..excepción en regiones desérticas y zonas de intensa explotación

35 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRANEAS Depósitos no consolidados

36 GEOLOGÍA Y LAS AGUAS SUBTERRANEAS Porosidad de las rocas sedimentarias Porosidad primaria: primaria: intergranular, planos interestratos Porosidad secundaria secundaria:: fracturamiento, disolución,diaclasas Porcentaje de porosidad altamente variable Rocas clásticas clásticas:: 3% al 30 30% % Calizas y dolomitas dolomitas:: 1% al 30 30% %

37 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Métodos geológicos Petrografía Porosidad y permeabilidad Estratigrafía Posición, espesor y continuidad de horizontes acuíferos Geología estructural Estructuras geológicas (fallas, pliegues, fracturamientos) Geomorfología Formas del terreno (litología, estratigrafía y estructural) Fotos aéreas e imágenes de radar Areas Pleistocenas y sedimentos recientes

38 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Métodos hidrológicos Variaciones climáticas Precipitación natural y evaporación Escorrentía superficial e infiltración Cantidad de agua útil para la recarga Emplazamiento y magnitud de manantiales Sistemas de drenajes superficiales Delimitación de cuencas hidrológicas Determinación del orden de los ríos

39 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Métodos geofísicos de superficie -.Resistividad eléctrica de corriente directa -.Métodos electromagnéticos -.Métodos sísmicos -.Magnetometría y penetración radar de superficie -.Métodos de gravedad y aeromagnéticos Geofísica de registro de pozos -.Registro Caliper -.Registro de temperatura -.Resistividad -.Potencial espontáneo -.Registro núclear

40 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Resistividad eléctrica eléctrica:: aplicados para describir los rasgos geológicos y patrones de contaminación del agua subterránea subterránea..

41 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Métodos geofísicos de superficie: resistividad eléctrica

42 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Métodos geofísicos de superficie superficie:: métodos electromagnéticos Consiste en la inducción de corriente en el suelo con la transmisión de corriente alterna alterna.. El campo magnético induce un campo eléctrico en la tierra a profundidad, controlado por las propiedades del medio y por el contenido de humedad humedad.. La aplicación más importante está dirigida a la detección de objetos enterrados o para la ubicación de sitios para el depósito de desechos desechos.. Investigaciones en el mapeo del subsuelo, para detectar sitios contaminados.. contaminados

43 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Métodos geofísicos de superficie superficie:: penetración radar de superficie Este método está basado en reflexión de ondas a partir discontinuidades existentes bajo terreno.. Una antena es movida a terreno largo de la superficie detectando energía reflejada desde el subsuelo subsuelo.. la de el lo la Usado en la delineación de los rasgos del entorno geológico, detección de objetos enterrados, definir la configuración del nivel freático y límites estratigráficos, así como para establecer la distribución de líquidos tales como gasolina gasolina.. Usado también en investigaciones sobre lugares de depósitos de desechos desechos..

44 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Métodos geofísicos de superficie superficie:: métodos sísmicos Este método utiliza la energía reflejada y refractada de ondas que viajan a través de diferentes tipos de unidades litológicas.. litológicas Métodos de reflexión sísmica frecuentemente usados en estudios de reconocimiento para determinar el tope del lecho rocoso, la topología de los rasgos estructurales y el patrón estratigráfico de secuencias sedimentarias.. sedimentarias

45 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Geofísica de registro de pozos Técnica geofísica desarrollada para ayudar a resolver problemas en los procesos de exploración y producción en la industria petrolera petrolera..

46 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Perforación exploratoria Selección dependerá del uso, orden económico y de las condiciones geológicas -.Herramientas manuales -.Tren de sondeos de inyección -.Equipos de percusión -.Equipos de sondeo de rotación -.Sondas neumáticas

47 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Perforación exploratoria

48 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Perforación exploratoria

49 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Piezómetros y pozos de observación de nivel freático

50 METODOS DE ESTUDIO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS Piezómetros y pozos de observación de nivel freático

51 INVESTIGACIONES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS -.Pruebas de bombeo Conocimiento del subsuelo Determinación de parámetros: K, T y S Construcción de redes de pozos -.Determinación de la calidad del agua Define uso doméstico, agrícola, pecuario, industrial, entre otros -.Monitoreo constante Niveles, caudal, parámetros físicos del acuífero (K, T y S) -.Ubicación de áreas de recarga y su resguardo -.Evitar pérdidas innecesarias del agua Redes de distribución dañados, goteos en grifos viejos y regaderas -.Evitar el uso excesivo del agua Ducha, afeitarse, lavado de carro, jardinerías, entre otros.

52 INVESTIGACIONES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS -.Práctico Actividades del hombre: domésticas, agropecuarias, industriales, recreacionales, entre otros. -.Investigación Hidrogeología: parámetros de los acuíferos, velocidad del aguas, dirección de flujo, tiempo de residencia, ubicar áreas de recarga y descarga. Hidrogeoquímico: calidad química, origen de las aguas, factores y procesos que controlan su composición química, evolución geoquímica a través de el o los acuíferos, detección de fuentes de contaminación (intrusiones salinas, rellenos sanitarios, derrames e infiltración de hidrocarburos y derivados, derrames e infiltración de reactivos químicos, relación entre la calidad y presencia de algunas elementos traza con malformaciones en los humanos o con enfermedades.

53 HIDROGEOQUÍMICA Instituto de ciencias de la Tierra Asignatura Hidrogeoquímica