4.-Composición química aprox. constante. 5.-Grandes volúmenes de agua almacenada. 6.-Difícil contaminación radioactiva y biológica

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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

3 QUÉ SON LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS? Es el agua del subsuelo, que está presente debajo del nivel freático, en la zona de saturación del suelo o de una determinada formación geológica geológica.. Son el resultado de la infiltración del agua generalmente meteórica (lluvia) a través de una formación geológica (suelos, rocas o sedimentos no consolidados), con características físicas favorables (porosidad y permeabilidad) que permiten su transporte y almacenaje (Bruce, )).

4 Ventajas y desventajas de las aguas subterráneas frente a las superficiales Ventajas Desventajas 1.-Carencia de organismos patógenos 1.-Porosidad y permeabilidad insuficientes 2.-Temperatura aprox. constante 2.-Mayor concentración de sólidos disueltos 3.-No posee turbidez ni olor 3.-Elevados costos de explotación 4.-Composición química aprox. constante 5.-Grandes volúmenes de agua almacenada 6.-Difícil contaminación radioactiva y biológica 7.-Acumulación durante largos períodos

5 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Acuíferos Es una formación geológica que está saturada en agua y con suficiente permeabilidad para abastecer un pozo o manantial manantial.. Un cuerpo de roca o formación con poros hidráulicamente interconectados (Mazor et al al.., )) Unidad geológica que puede guardar y transmitir el agua a velocidades lo suficientemente rápidas como para alimentar pozos y manantiales (Bruce, ;; Fetter, ))

6 Descripción del sistema subterráneo

7 Descripción del sistema subterráneo

8 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Área de recarga Región donde ocurre el aporte de agua subterránea hacia los acuíferos Área de descarga Región donde ocurre la pérdida de agua, de manera natural a través de manantiales, ríos, lagos y océanos océanos;; o artificial, mediante pozos perforados o artesanales artesanales.. Líneas de flujo y superficies equipotenciales en un área de recarga y un área de descarga.

9 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Áreas de recarga y descarga

10 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Clasificación de los acuíferos Confinado, no confinado (freático o libre), emperchado emperchado.. Capas confinantes Unidad geológica que tiene poco o no posee permeabilidad intrínseca, menor de unos 10-2 darcy darcy.. 1 darcy= 9,87 x 10-9 cm2

11 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Clasificación de los acuíferos Confinado, no confinado (freático o libre), emperchado emperchado..

12 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Clasificación de los acuíferos Confinado, no confinado (freático o libre), emperchado emperchado.. Pozo artesiano en un acuífero confinado Acuífero no confinado, libre o freático

13 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Clasificación de los acuíferos Confinado, no confinado (freático o libre), emperchado emperchado.. Acuíferos confinados Acuífero emperchado

14 CONCEPTOS RELACIONADOS Tipos de capas Acuitardo Acuitardo:: unidad de baja permeabilidad, que puede almacenar y transmitir agua lentamente de un acuífero a otro otro.. Es una formación geológica con una permeabilidad demasiado baja o una conductividad hidráulica muy baja para no abastecer por si misma, de manera instantánea a los pozos pozos.. Acuicludo Acuicludo:: unidad que almacena agua, pero no la transmite.. transmite Acuifugo Acuifugo:: unidad absolutamente impermeable impermeable.. Pozo Artesiano Es un pozo localizado en un acuífero confinado, donde el agua se eleva por encima del tope del nivel freático por presión artesiana artesiana..

15 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Tiempo de residencia en acuíferos T= V/Q; V: volumen del acuífero; Q: tasa volumétrica de recarga Superficie potenciométrica Es la superficie representativa del nivel el cual alcanzará el agua en un pozo perforado al acuífero acuífero.. Si la superficie potenciométrica de un acuífero está por encima de la superficie terrestre, ocurrirá la formación de un pozo artesiano artesiano..

16 CONCEPTOS RELACIONADOS Pozo Artesiano

17 CONCEPTOS RELACIONADOS Contornos de niveles freáticos

18 CONCEPTOS RELACIONADOS Sistema de flujos artesianos

19 PRINCIPIOS DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRÁNEA: ESCALA REGIONAL Superficie potenciométrica

20 CONCEPTOS RELACIONADOS Acuíferos De acuerdo al movimiento del agua agua:: Isótropo Isótropo:: Iguales propiedades en todas las direcciones permeabilidad uniforme, tanto horizontal como vertical vertical.. Anisótropo Anisótropo:: Propiedades variables en las distintas direcciones direcciones..

21 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Porosidad Son los espacios vacios (poros) existentes en los materiales terrestres terrestres:: n= Vv 100 donde n: porcentaje de porosidad porosidad;; V Vv: volumen de espacios vacíos vacíos;; V: volumen el material espacios y sólidos Tipos: Tipos: Primaria o secundaria

22 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Porosidad efectiva (ne) Porosidad disponible para el flujo de fluidos Porosidad total Porosidad total de una roca o suelo definido como la relación del volumen de espacios vacíos con respecto al volumen total del material material:: nt= Vv = VT VS VT VT Vv: volumen de espacios vacíos Vs: volumen de sólidos VT: volumen total En algunos casos la porosidad puede ser expresada en porcentaje nt= 100[ 100[1-ρb/ b/ρ ρd] nt: porosidad total (%) ρb: densidad del material acuífero ρd: densidad partícula del material acuífero

23 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Factores Tamaño y forma de los granos Grado de escogimiento Extensión de la cementación química Cantidad de fracturamiento

24 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Permeabilidad Grado de interconexión existente entre los poros poros.. Tamaño de grano y/o roca Grava o arena bien escogidas Arena y grava mezcladas Arcilla Limo % de porosidad Permeabilidad en m/d Arenisca 3-30 Calizas y dolomitas 1-30 Plutónicas y metamórficas no alteradas <3 Plutónicas y metamórficas meteorizadas Material piroclástico (tefra) Rocas volcánicas ,2x10-5 1,2x10-3 0,28 0,70

25 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Circulación de las aguas subterráneas Ley de Darcy Válida sólo sólo:: medio homogéneo e isotrópico sustrato horizontal permeable flujo en régimen laminar Darcy determinó que que:: α α α α ha hb 1/L K A Q= -K A (ha (ha--hb)/l Q Q Q Q En general general:: Q= -KA( KA(δ δha/ ha/δ δl) (δh/ h/δ δl) l):: gradiente hidráulico

26 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Circulación de las aguas subterráneas Q también es proporcional a: Q α d2 Q α ϒ Q α 1 /µ donde d: diámetro diámetro;; ϒ: peso específico del fluido fluido;; µ: medida de la resistencia del fluido En general Q= -Cd2ϒA δh µ δl C: factor forma C y d2: propiedades del medio poroso ϒ y µ: propiedades del fluido Caudal: Caudal: Cantidad de agua que se infiltra a través de una sección A.

27 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Conductividad hidráulica (K) Medida de la capacidad que tiene un acuífero de transmitir el agua sobre la influencia del gradiente de una superficie potenciométrica potenciométrica.. La conductividad hidráulica es introducida en la Ley de Darcy como una constante de proporcionalidad relacionada a la descarga específica al gradiente hidráulico hidráulico.. La conductividad hidráulica es un parámetro que describe la facilidad mediante la cual el flujo toma lugar a través del medio poroso poroso.. Tiene unidades de m/d m/d.. Depende de las propiedades del medio poroso y del fluido densidad y viscosidad.. viscosidad

28 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Permeabilidad intrínseca intrínseca:: k (m2, cm2 o darcy) Cuando se trata de fluidos distintos al agua aire, crudo y gasolina, la conductividad hidráulica se torna en un parámetro poco manejable debido a que la densidad y viscosidad del fluido varía junto con las propiedades del medio poroso poroso.. Una alternativa conveniente está dada en la expresión de la Ley de Darcy, en una forma donde las propiedades del medio y del fluido están explícitamente representadas:: representadas q= - kρwg dh µ dl donde q: velocidad de flujo por unidad de área k: permeabilidad intrínseca ρw: densidad del agua g: aceleración debido a la gravedad µ: viscosidad dinámica del agua dh:: unidad de cambio en el frente hidráulico por unidad de longitud de flujo dh dl La permeabilidad intrínseca de una roca o suelo es una medida de su habilidad de transmitir fluido como este se mueve a través del medio poroso

29 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Medidas en el laboratorio de la conductividad hidráulica (K) Pruebas hidráulicas de campo campo.. Mediciones en el laboratorio laboratorio.. Métodos empíricos basados sobre correlaciones con el tamaño de grano grano.. Pruebas hidráulicas de campo campo:: proveen de estimaciones más reales reales.. Pruebas de bombeo bombeo..

30 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Mediciones de laboratorio sobre núcleos núcleos:: Pruebas de la constante del frente y de la caída del frente Prueba de la constante del frente frente:: Se coloca una válvula en la base de la muestra, permitiendo el flujo del agua a través del núcleo K determinada mediante ecuación de Darcy K = Q L; Ah donde L: longitud de la muestra muestra;; A: área de la sección transversal de la muestra;; h: constante del frente muestra

31 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Mediciones de laboratorio sobre núcleos núcleos:: Pruebas de la constante del frente y de la caída del frente Prueba de la constante del frente frente::

32 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Mediciones de laboratorio sobre núcleos núcleos:: Prueba de la caída del frente frente:: Se mide el frente hidráulico en la columna como una función del tiempo tiempo.. Para una muestra de longitud L y una sección de área A, la conductividad hidráulica está dada por por:: K = 2,3 al log10 h0 A(t1 t0) h1 donde L: longitud de la muestra muestra;; a: área de la sección transversal de la muestra;; (t1 t0): tiempo requerido para la caída del frente de muestra h0 a h1.

33 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Mediciones de laboratorio sobre núcleos núcleos:: Prueba de la caída del frente frente::

34 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Mediciones de laboratorio sobre núcleos núcleos:: Para suelos de grano fino, Q es pequeño y difícil de medir acertadamente acertadamente.. De este modo, la prueba de constante del frente es principalmente usada para mediciones en materiales de tamaño de grano medio (arenas limpias y gravas) con valores de K mayores que 10 x 10-4 cm/seg cm/seg.. La prueba de la caída del frente, es generalmente utilizada para medios menos permeables (arenas finas hasta arcillas), con valores de K menores que 10 x 10-4 cm/seg.. cm/seg

35 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Métodos empíricos basados sobre correlaciones con el tamaño de grano grano:: La conductividad hidráulica de sedimentos arenosos puede ser estimada partir de la curva de distribución de tamaño de grano por el Método Hazen Hazen.. Aplicable a arenas donde el tamaño efectivo de grano (d10) está entre aproximadamente 0,1 y 3,0 mm mm.. La aproximación Hazen es descrita mediante la siguiente ecuación ecuación:: K= C(d10)2 Donde K: conductividad hidráulica Arena muy fina, pobrmente escogida d10: tamaño de grano efectivo C: coeficiente basado en la siguiente tabla Arena fina con granos finos apreciables Arena media, bien escopgida Arena gruesa, pobremente escogida Arena gruesa, bien escogida, limpia Hazen señala que la conductividad hidráulica características dimensionales del sedimento sedimento.. está relacionada con las

36 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Métodos empíricos basados sobre correlaciones con el tamaño de grano grano::

37 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Métodos empíricos basados sobre correlaciones con el tamaño de grano grano::

38 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Los acuíferos juegan un papel importante en el aporte de agua hacia los pozos.. Estos tienen al menos dos características importantes pozos importantes:: habilidad para almacenar el agua y para transmitirla transmitirla.. Transmisividad (L2T/T T/T;; pie2/d /d;; m3/día/m /día/m;; m2/d) Medida de la cantidad de agua que puede ser transmitida horizontalmente a través de una unidad, bajo la influencia de un gradiente hidráulico hidráulico.. T=Kb Donde T: transmisividad K: conductividad hidráulica b: espesor del acuífero Para un acuífero multicapa multicapa:: T= Ti

39 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Coeficiente de almacenaje o almacenamiento (S) (S):: Volumen de agua que una unidad permeable absorberá o expelerá desde el almacén por cambio de unidad de área superficial en el frente frente.. Es una cantidad adimensional adimensional.. S= volumen de agua = m3 (unidad de área)(cambio por unidad en el frente) m3 Almacenaje específico (Ss): volumen de agua que un acuífero absorberá o expelerá por unidad de área superficial del acuífero por unidad de espesor del acuífero por cambio en el frente Ss= volumen de agua = m3 (unidad de área)(espesor del acuífero)(cambio por unidad en el frente) m3 S= bss b: espesor de un acuífero

40 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Coeficiente de almacenamiento (Ss) para un acuífero confinado Ss= ρwg (alfa + nβ) ρw: densidad del agua g: gravedad Alfa:: compresibilidad del esqueleto del acuífero Alfa n: porosidad β: compresibilidad del agua

41 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Coeficiente de almacenamiento (Ss) para un acuífero no confinado Rendimiento específico (Sy) (Sy):: Almacenaje o pérdida de agua de la unidad Para acuíferos no confinados confinados:: S= Sy + bss b: espesor de la zona saturada Rendimiento específico (specific yield) y retención específica Rendimiento específico (Sy): agua perdida desde el material acuífero por gravedad Sy= Vd/VT; Vd: volumen del agua que drena y VT: volumen total Retención especifica (Sr): agua retenida como una película sobre la superficie del grano o retenida en los pequeños poros por atracción molecular molecular.. Sr= Vr/VT; Vd: volumen del agua retenida y VT: volumen total Volumen de agua drenada desde un acuífero (Vw) (pie3, m3) Vw= SA SAΔ Δh S: almacenamiento 2 2 A: área superficial del acuífero (pie, m ) Δh: declinación promedio en el frente (pie, m)

42 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Gradiente del frente hidráulico En los experimentos tipo Darcy, la razón del movimiento del agua implica la existencia de un tipo de gradiente de energía energía.. Esta energía disponible para el flujo es conocida como frente hidráulico hidráulico.. Consistente de tres componentes componentes:: elevación, presión y velocidad velocidad.. El gradiente hidráulico es formalmente definido como el cambio en el frente hidráulico en una dirección dada dada.. Energía potencial Ф= gh Tendencia espacial espacial:: mapas equipotenciales) g: gravedad; gravedad; h: frente total de contornos de igual valor de h (líneas Gradiente h= δha/ δl= h1-h2/δl; h1 y h2: frente hidráulico en 1 y 2, Δl: distancia entre 1 y 2. Línea de flujo: flujo: línea imaginaria que describe el paso de una partícula de agua subterránea.. subterránea

43 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Gradiente del frente hidráulico El gradiente hidráulico define esencialmente la dirección de flujo del agua subterránea desde regiones de alto frente hidráulico a regiones de bajo frente hidráulico hidráulico..

44 PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS Gradiente del frente hidráulico

45 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Movimiento del agua subterránea Fuerzas responsables del movimiento del agua subterránea (King, )) Gravitacional (topografía) El agua se mueve desde áreas topográficamente más altas hacia áreas topográficamente más bajas (King, )) Termal Conducción Convección Radiación Capilar Fuerzas ejercidas por efecto de tensión superficial del agua con respecto a los granos minerales pertenecientes al medio poroso

46 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Movimiento del agua subterránea

47 DINÁMICA DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Movimiento del agua subterránea Fuerza capilar Fuerzas ejercidas por efecto de la tensión superficial del agua con respecto a los granos minerales pertenecientes al medio poroso poroso.. La altura h de un líquido en la columna está dado por: h= 2ϒ 2ϒcos cosɵ/ Ɵ/ρ ρgr donde: γ θ ρ g r tensíon superficial líquidolíquido-aire (enería/área) ángulo de contacto densidad del líquido (masa/volumen) aceleración debido a la gravedad (longitud/tiempo2) radio del tubo (longitud).

48 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..

49 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.

50 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..