VERSIÓN A DISTANCIA GUÍA DOCENTE 1ª Edición Octubre 2002/Septiembre 2003 (http://centrov.cimne.upc.es/cdl1/) CURSO PATROCINADO POR: Agència Catalana de l Aigua Generalitat de Catalunya Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas CEDEX Departament d'agricultura, Ramaderia i Pesca Generalitat de Catalunya Dirección General de Obras Hidráulicas y Calidad de las Aguas Ministerio de Medio Ambiente Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona UPC Institut Cartogràfic de Catalunya Instituto Geológico y Minero de España Sociedad General de Aguas de Barcelona, S.A. Universitat Politècnica de Catalunya En coordinación con Secretaría: Fundación Centro Internacional de Hidrología Subterránea Aragón, 383, 5ª planta 08013 Barcelona ESPAÑA Teléfono +34 93 4582600 Fax +34 93 4590106 E-mail: gerencia@fcihs.org http://www.fcihs.org
ÍNDICE I. PRESENTACIÓN...1 II. PROGRAMA GENERAL...2 III. OBJETIVOS Y PROGRAMA DE CLASES DE CADA TEMA...3 Tema 1. Balance y ciclo hidrológico...3 Tema 2. Hidráulica de acuíferos...4 Tema 3. Hidroquímica...5 Tema 4. Exploración hidrogeológica...6 Tema 5. Hidráulica de captaciones de agua...7 Tema 6. Hidrogeología de medios de baja permeabilidad...8 Tema 7. Transporte de solutos y trazadores...9 Tema 8. Construcción de captaciones de aguas subterráneas...10 Tema 9. Relaciones agua dulce agua salada...11 Tema 10. Hidrología isotópica...12 Tema 11. Calidad, contaminación y protección de acuíferos...13 Tema 12. Modelos de simulación de acuíferos...14 Tema 13. Hidroeconomía...15 Tema 14. Planificación, gestión y optimización de recursos hídricos...16 Tema 15. Legislación...17 Tema 16. Aguas subterráneas e ingeniería geológica...18
I. PRESENTACIÓN El objetivo del Curso Internacional de Hidrología Subterránea Versión a Distancia es presentar, vía Internet, las bases teórico-prácticas de la Hidrología Subterránea, de modo que sean directamente aplicables a las diversas situaciones reales que se puedan presentar, primando el criterio hidrogeológico sobre la simple aplicación de reglas. Así, el Curso está orientado hacia el estudio de la exploración, comportamiento, prospección, captación, contaminación, protección, planificación y gestión de las aguas subterráneas, de su interrelación con otras fases del Ciclo Hidrológico y con el Medio Ambiente. Si bien dominan los aspectos relacionados con los recursos de agua, en cantidad y calidad, se tratan también temas acerca de la ingeniería geológica, civil, industrial, minera, ambiental y agronómica. 1
II. PROGRAMA GENERAL El programa docente del CIHS se compone de 16 temas: 1. Balance y ciclo hidrológico 2. Hidráulica de acuíferos 3. Hidroquímica 4. Exploración hidrogeológica 5. Hidráulica de captaciones de agua 6. Hidrogeología de medios de baja permeabilidad 7. Transporte de solutos y trazadores 8. Construcción de captaciones de aguas subterráneas 9. Relaciones agua dulce agua salada 10. Hidrología isotópica 11. Calidad, contaminación y protección de acuíferos 12. Modelos de simulación de acuíferos 13. Hidroeconomía 14. Planificación, gestión y optimización de recursos hídricos 15. Legislación 16. Aguas subterráneas e ingeniería geológica A continuación se detallan los objetivos y el programa de clases de cada tema. 2
III. OBJETIVOS Y PROGRAMA DE CLASES DE CADA TEMA Tema 1. Balance y ciclo hidrológico Profesor responsable: Andreu Galofré. Describir el ciclo hidrológico, sus componentes climáticos y su recorrido a través del suelo. Describir, determinar y calcular los términos de un balance hidrometeorológico. Estudiar los componentes de la hidrología superficial y deducir su relación con las aguas subterráneas, mediante análisis de hidrogramas. Parte 1a- Climatología y balance 1.1. El ciclo hidrológico 1.2. Climatología y datos climáticos 1.3. El agua en el suelo. Parámetros 1.4. Evaporación y evapotranspiración 1.5. Cálculos de ETP y ETR 1.6. Infiltración y escorrentía 1.7. Cálculo de balances hidrometeorológicos 1.8. Reservas y recursos Parte 1b- Hidrología superficial 1.9. Aforos en aguas superficiales: métodos hidráulicos 1.10. Análisis de hidrogramas 1.11. Evaluación de recursos y aportaciones superficiales 1.12. Regulación de ríos 1.13. Tipos y funcionamiento de manantiales 1.14. Almacenamiento en riberas Ejercicios resueltos a modo de ejemplo 3
Tema 2. Hidráulica de acuíferos Profesor responsable: Antonio Gurguí Reconocer las diferentes clases de acuíferos. Determinar los parámetros hidráulicos de un acuífero. Definir la ley de Darcy, y derivar la ecuación general de flujo. Representar gráficamente superficies piezométricas. Definir el flujo de agua en los medios no saturados. 2.1. Conceptos básicos 2.2. Ecuaciones de flujo en aguas subterráneas 2.3. Determinación de parámetros 2.4. Métodos gráficos 2.5. Flujo multifásico en medio no saturado 4
Tema 3. Hidroquímica Profesor responsable: Enric Vázquez Este tema describe los fenómenos que dan origen a las características químicas del agua subterránea y los métodos de campo y analíticos usados para el estudio de la composición de las aguas de los acuíferos. Mediante la exposición de casos reales y la realización de ejercicios se da una visión de cómo a partir de la caracterización y el estudio de la evolución de la composición química del agua subterránea pueden establecerse hipótesis sobre el funcionamiento de un acuífero. Introducción 3.1. Principios de hidroquímica 3.2. Características físicoquímicas del agua subterránea 3.3. Composición de las aguas subterráneas 3.4. Reacciones 3.5. Química del dióxido de carbono disuelto 3.6. Disolución de calcita 3.7. Origen de la composición del agua subterránea 3.8. Principios de biología aplicados a las aguas subterráneas 3.9. Toma de muestras de agua subterránea 3.10. Toma de muestras en la zona no saturada 3.11. Estudio y valoración de análisis químicos de aguas subterráneas 3.12. Determinaciones hidrogeológicas a partir de datos químicos 3.13. Tratamiento de datos químicos I 3.14. Tratamiento de datos químicos II 3.15. Temperatura del agua subterránea Anejo Referencias Ejercicios resueltos a modo de ejemplo 5
Tema 4. Exploración hidrogeológica Profesor responsable: Jordi Guimerà Estudiar, con métodos geofísicos, el subsuelo que afecte total o parcialmente las aguas subterráneas. Estudiar la geología del subsuelo y las características de los acuíferos según la formación geológica en la que se encuentra. Conocer los métodos de exploración según la formación geológica. Parte 4a- Métodos de exploración geofísica 4.1. Mapas hidrogeológicos. Interés, utilización, ejemplos 4.2. Inventario de pozos y manantiales 4.3. Prospección geoeléctrica 4.4. Geosísmica aplicada a las aguas subterráneas 4.5. Otros métodos aplicables de utilidad en hidrogeología 4.6. Métodos puntuales de identificación indirectos. Diagrafías Referencias de la parte 4a Ejercicios resueltos a modo de ejemplo 4a Parte 4b- Exploración geológica 4.7. Hidrogeología y exploración en cuencas sedimentarias 4.8. Hidrogeología y exploración en rocas carbonatadas 4.9. Hidrogeología y exploración en depósitos de origen fluvial 4.10. Hidrogeología y exploración en rocas intrusivas y metamórficas 4.11. Hidrogeología y exploración de rocas volcánicas Referencias de la parte 4b 4b 6
Tema 5. Hidráulica de captaciones de agua Profesor responsable: Xavier Sánchez Vila Describir el movimiento del agua subterránea en presencia de extracciones o inyecciones de agua en el acuífero. Presentar métodos de determinación de los parámetros hidráulicos de los acuíferos a partir de ensayos de bombeo. Predecir el comportamiento a corto y largo plazo de una captación de agua. Evaluar la eficiencia y correcta construcción de las captaciones. Parte 5a 5.1. Definiciones, conceptos y principios generales 5.2. Hidráulica de pozos en acuíferos confinados 5.3. Hidráulica de pozos en acuíferos semiconfinados y libres 5.4. Ensayos de bombeo en régimen estacionario. Interpretación 5.5. Ensayos de bombeo en régimen variable. Interpretación 5.6. Cálculo de campos de bombeo y de interferencias 5.7. Acuíferos finitos. Teoría de las imágenes. Presencia de varios límites 5.8. Caudal variable. Análisis de ensayos de recuperación 5.9. Bombeos en acuíferos libres. Drenaje diferido 5.10. Preparación de ensayos de bombeo Ejercicios resueltos a modo de ejemplo Ejercicios 5a: Enunciados Ejercicios 5a: Resoluciones 5a Parte 5b 5.11. Líneas de drenaje en régimen estacionario I: zanjas y galerías 5.12. Líneas de drenaje en régimen estacionario II: pozos puntuales, drenes y drenes radiales 5.13. Bombeos y efectos de capacidad de pozo 5.14. Bombeos en acuíferos fracturados y de doble porosidad 5.15. Bombeo en pozos incompletos, pozos de gran diámetro, pozos surgentes y bombeo por cuchareo. 5.16. Curva característica de un pozo. Interpretación. Eficiencia 5.17. Determinación de la curva y fórmula característica de un pozo 5.18. Ajuste automático I 5.19. Ajuste automático II Ejercicios 5b: Enunciados Ejercicios 5b: Resoluciones 5b 7
Tema 6. Hidrogeología de medios de baja permeabilidad Profesor responsable: Jordi Guimerà Explicar porqué son relevantes los medios de baja permeabilidad. Presentar los procesos más relevantes de los medios de baja permeabilidad. Ver los métodos de caracterización. Aplicar los conocimientos a casos reales en diversos tipos de proyectos. 6.1. Introducción. Aspectos específicos. Utilidad y aplicaciones 6.2. Técnicas fundamentales de caracterización 6.3. Sondeos: Herramientas para identificación puntual 6.4. Identificación de tramos permeables (parámetros) 6.5. Medida de niveles 6.6. Muestreos particulares 6.7. Tipos de ensayos (1): Ensayos rutinarios 6.8. Tipos de ensayos (2): Ensayos específicos 6.9. Instrumentación y equipamiento de sondeos 6.10. Particularidades de la interpretación Referencias 8
Tema 7. Transporte de solutos y trazadores Profesor responsable: Enric Vázquez Definir los principales procesos de transferencia de masa. Definir la ecuación general del transporte y tratar algunas soluciones particulares. Describir los diferentes tipos de ensayos de trazadores. 7.1. Procesos de transferencia de masa 7.2. Ecuación general de transporte 7.3. Soluciones particulares 7.4. Trazadores: generalidades 7.5. Ensayos de trazadores 7.6. Ejemplo real de ensayos: flujo paralelo 7.7. Ejemplo real de ensayos: flujo convergente 7.8. Ensayos de dilución puntual y flujo vertical 7.9. Ejemplo real de aplicación 7.10. Ensayo real de dilución puntual o de flujo convergente 9
Tema 8. Construcción de captaciones de agua subterránea Profesor responsable: Eduardo Batista Describir los procedimientos de perforación de pozos para captación de agua subterránea. Detallar los parámetros necesarios para la construcción de pozos (cálculo de prefiltros, elección de la rejilla, cementación, etc). Exponer los fundamentos del funcionamiento de los equipos de bombeo. Parte 8a Construcción de captaciones 8.1. Captaciones horizontales 8.2. Pozos manuales. Tecnología apropiada 8.3. Pozos verticales perforados: pozos puntuales 8.4. Perforación a percusión con cable 8.5. Perforación a rotación con circulación directa 8.6. Perforación a rotación con circulación inversa 8.7. Perforación a rotopercusión 8.8. Criterios para la elección del sistema de captación más adecuado y otros sistemas de perforación 8.9. Entubaciones 8.10. Rejillas y macizos de grava 8.11. Diseño de la zona de admisión (rejilla y prefiltro) 8.12. Colocación de prefiltro y cementaciones 8.13. Esquemas constructivos 8.14. Desarrollo y estimulación de pozos de producción de agua 8.15. Pliego de condiciones para la construcción de un pozo 8.16. Construcción de sondeos de reconocimiento y control Ejercicios resueltos a modo de ejemplo 8ª Ejercicios 8a: Enunciados Ejercicios 8a: Resoluciones Parte 8b Equipos de bombeo 8.17. Tipos de bombas y altura efectiva 8.18. Curvas características 8.19. Relaciones de semejanza 8.20. Cálculos de equipos de bombeo. Selección de bombas 8.21. Pérdidas de carga y circulación por conductos 8.22. Cavitación Ejercicios 8b: Enunciados Ejercicios 8b: Resoluciones 10
Tema 9. Relaciones agua dulce agua salada Profesor responsable: Xavier Sánchez Vila Presentar métodos de cálculo de la posición de la cuña de intrusión salina y de la profundidad de la interfase. Describir los efectos sobre el potencial hidráulico de la diferencia de densidad del agua provocada por la salinidad. Describir los efectos de las captaciones de agua en acuíferos costeros. Exponer los métodos de control y prevención de la intrusión marina. 9.1. Principios generales y definiciones básicas 9.2. Efectos de densidad variable 9.3. Cuña de intrusión. Interfaz brusca. Zona de mezcla 9.4. Cálculos en régimen natural 9.5. Régimen transitorio. Variación de la recarga 9.6. Régimen transitorio. Variación de la explotación 9.7. Explotación de acuíferos costeros Ejercicios resueltos a modo de ejemplo 11
Tema 10. Hidrología isotópica Profesor responsable: Enric Vázquez En este tema se presentan los fundamentos teóricos de la radioquímica y se da una descripción del origen y características de los isótopos ambientales útiles en hidrogeología. A continuación se describe cada uno de los siguientes isótopos: deuterio, oxígeno-18, carbono-13, carbono-14 y tritio; exponiendo su origen y contenido en el agua, factores de control, aplicación en hidrología subterránea, expresión del contenido y métodos de muestreo. 10.1. Principios de radioquímica del agua 10.2. Isotopía ambiental aplicada a las aguas subterráneas 10.3. Isótopos estables I: isótopos de la molécula de agua (O-18 y D) 10.4. Isótopos estables II: isótopos del carbono (C-13) 10.5. Isótopos radioactivos más usados en hidrología subterránea I: C-14 10.6. Isótopos radioactivos más usados en hidrología subterránea II: T 10.7. Métodos de interpretación del tritio: modelos de mezcla Ejercicios resueltos a modo de ejemplo 12
Tema 11. Calidad, contaminación y protección de acuíferos Profesor responsable: Fidel Ribera Presentar los principales aspectos prácticos en relación con los principales tipos de contaminantes de las aguas subterráneas, y que nos permiten describir su comportamiento tanto en la zona no saturada como en la zona saturada. Comentar los métodos de prevención, control y descontaminación de un acuífero y desarrollar las principales metodologías de evaluación de un proceso contaminante. 11.1. Introducción, aspectos generales 11.2. Calidad del agua, normativa y reglamentaciones 11.3. Orígenes, tipos y clasificación de la contaminación 11.4. Contaminantes (I): inorgánicos (natural y salinidad) 11.5. Contaminantes (II): inorgánicos (metales) 11.6. Contaminantes (III): orgánicos (RSU-ARU-surfactantes) 11.7. Contaminantes(IV): Orgánicos (hidrocarburos) 11.8. Contaminantes (V): (plaguicidas) 11.9. Aguas subterráneas y estudios de impacto ambiental 11.10. Vulnerabilidad de acuíferos y riesgo de contaminación 11.11. Protección de acuíferos y de las captaciones 11.12. Métodos de prevención y de control de la contaminación 11.13. Recuperación de acuíferos 11.14. Tratamientos correctores de la calidad del agua 11.15. Relación entre contaminación y oscilaciones del nivel freático 13
Tema 12. Modelos de simulación de acuíferos Profesor responsable: Xavier Sánchez Vila Presentar la metodología de realización de un modelo numérico a partir de un modelo conceptual, haciendo inciso en todos los aspectos relacionados con el acuífero (geometría, parámetros hidráulicos, etc) que permiten establecer su comportamiento. Exponer los métodos numéricos que se aplican a las ecuaciones diferenciales de flujo y de transporte para transformarlas en ecuaciones algebraicas. 12.1. Introducción a los modelos de simulación acuíferos 12.2. El proceso de modelación 12.3. Introducción a los métodos numéricos 12.4. Modelos en diferencias finitas 12.5. Problema inverso. Estimación de parámetros 12.6. Modelos en elementos finitos 12.7. Modelos de transporte. Métodos Ejercicio: desarrollo teórico de un modelo 14
Tema 13. Hidroeconomía Profesor responsable: Fidel Ribera Este tema tiene como objetivos presentar los conceptos generales necesarios para la comprensión de los temas básicos de la economía de empresa y exponer los métodos que permiten evaluar el estado y características de las inversiones. 13.1. Hidroeconomía. Definiciones y conceptos generales 13.2. Métodos de evaluación de inversiones 13.3. La cuenta de resultados Ejercicio resuelto a modo de ejemplo 15
Tema 14. Planificación, gestión y optimización de recursos hídricos Profesor responsable: Eduardo Batista Exponer los conceptos y medidas fundamentales que rigen la gestión, planificación y optimización de los recursos hídricos. Presentar modelos de uso conjunto de agua superficial y agua subterránea. Presentar las técnicas que posibilitan nuevas fuentes de recursos hídricos. 14.1. Gestión de las aguas subterráneas 14.2. El uso conjunto de las aguas superficiales y subterráneas en la planificación hidráulica 14.3. Introducción a la recarga artificial 14.4. Recarga artificial. Métodos 14.5. Reutilización de aguas residuales 14.6. Desalinización 14.7. Planificación hidráulica 14.8. Sobreexplotación de acuíferos 14.9. Modelación del uso conjunto de aguas superficiales y subterráneas 16
Tema 15. Legislación Profesor responsable: Andreu Galofré Dar a conocer la legislación en relación con las aguas subterráneas. Resaltar la importancia de las normas que regulan el uso, aprovechamiento, gestión, administración, protección y exploración sostenible de los recursos de las aguas subterráneas a nivel español, europeo y de algunos otros países. 15.1. Introducción: Principios generales sobre legislación de aguas subterráneas 15.2. Legislación española 15.3. Legislación europea 15.4. Legislación de otros países 17
Tema 16. Aguas subterráneas e ingeniería geológica Profesor responsable: Fidel Ribera Objetivo: Proporcionar una visión, lo más amplia y aplicada posible, de los casos más frecuentes de interacción entre la ingeniería geológica y las aguas subterráneas, enfocado principalmente a la resolución de los problemas que dicha interacción ocasiona. 16.1. Relación entre la obra civil y la hidrología subterránea 16.2. Ejemplo de agotamiento del nivel freático en edificaciones 16.3. Relación entre la subsidencia del terreno y las aguas subterráneas 16.4. Interacción entre el agua subterránea y las obras lineales 16.5. Interacción entre el agua subterránea y las obras hidráulicas 16.6. Efectos del nivel freático en el medio urbano 16.7. Relación entre las aguas subterráneas y los riesgos geológicos 18