Agua subterrnea

AGUA SUBTERRNEAEl agua subterrnea representa una fraccin importante de la masa de agua presente en cada momento en los continentes, con un volumen mucho ms importante que la masa de agua retenida en lagos o circulante, y aunque menor al de los mayores glaciares, las masas ms extensas pueden alcanzar millones de km (como el acufero guaran). El agua del subsuelo es un recurso importante, pero de difcil gestin, por su sensibilidad a la contaminacin y a la sobreexplotacin. Acufero cautivo: Se encuentra encerrado entre dos capas impermeables y solo recibe el agua de lluvia por una zona en la que existen materiales permeables. A esta zona de recarga se le llama zona de alimentacin.

Es una creencia comn que el agua subterrnea llena cavidades y circula por galeras. Sin embargo, no siempre es as, pues puede encontrarse ocupando los intersticios (poros y grietas) del suelo, del sustrato rocoso o del sedimento sin consolidar, los cuales la contienen como una esponja. La nica excepcin significativa, la ofrecen las rocas solubles como las calizas y los yesos, susceptibles de sufrir el proceso llamado karstificacin, en el que el agua excava simas, cavernas y otras vas de circulacin, modelo que ms se ajusta a la creencia popular.Acuferos y niveles de presin

El agua subterrnea se encuentra normalmente empapando materiales geolgicos permeables que constituyen capas o formaciones a los que se le denominan acuferos.

Un acufero es aquella rea bajo la superficie de la tierra donde el agua de la superficie (p. ej. lluvia) percola y se almacena. A veces se mueve lentamente al ocano por flujos subterrneos. Una formacin acufera viene definida por una base estanca (muro), y por un techo, que puede ser libre, semiimpermeable o impermeable; por lo que son los continentes de las masas de agua subterrnea.

Si se excava o perfora la tierra para conectar con un acufero, a travs de pozos y/o galeras se puede explotar esta masa de agua para consumo humano, agrcola o industrial. La capa fretica es el acufero subterrneo que se encuentra a poca profundidad relativa y que tradicionalmente abastece los pozos de agua potable. Es, obviamente la capa ms expuesta a la contaminacin procedente de la superficie.

En lugares alejados de ros, lagos o mares, estos acuferos son a menudo la nica fuente de agua disponible, especialmente en extensas reas como los desiertos de Atacama, Kalahari y Sahara. A veces esta agua sale a la superficie por s sola a travs de encharcamientos, manantiales (oasis, en los desiertos), surgencias manantiales, rezumes, aguas termales, o giseres. La zona del subsuelo en la que los huecos estn llenos de agua se llama zona saturada. El nivel superior de la zona fretica a presin atmosfrica, se conoce como nivel fretico. El nivel fretico puede encontrarse a muy diferentes profundidades, dependiendo de las circunstancias geolgicas y climticas, desde slo unos centmetros hasta decenas de metros por debajo de la superficie. En la mayora de los casos la profundidad vara con las circunstancias meteorolgicas de las que depende la recarga de los acuferos. El nivel fretico no es horizontal, a diferencia del nivel superior de los mares o lagos, sino que es irregular, con pendiente montonamente decreciente desde el nivel fijo superior al nivel fijo inferior. Por encima de la zona saturada, desde el nivel fretico hasta la superficie, se encuentra la zona no saturada o zona vadosa, en la que la circulacin es principalmente vertical, representada por la percolacin, que es la circulacin movida por la gravedad, del agua de infiltracin.

Cuando el nivel fretico no se encuentra a la presin atmosfrica, sino que la supera, se dice que el acufero no es libre, sino cautivo o confinado; en este caso, cuando realizamos un pozo o sondeo, el agua tiende a ascender traspasando el techo (semiimpermeable o impermeable) del acufero. En estas nicas condiciones, el nivel fretico pasa a denominarse entonces nivel piezomtrico; el cual podra llegar hasta la superficie del terreno o incluso superarla, provocando excepcionalmente lo que se conoce como surgencia o pozo artesianos. Pero por lo general, la mayora de los pozos de acuferos cautivos no son artesianos, sino que el agua asciende por el pozo, sin llegar a la superficie; pero que es sta la explicacin fsica a este fenmeno. Muy raras veces, los niveles piezomtricos pueden incluso descender dentro del pozo, fenmeno que se explica, por la existencia de dos acuferos: un acufero superior (confinado o no) pero a mayor presin, que recarga el existente inferior, proceso singular que habramos provocado nosotros mismos, a travs de la conexin hidrulica por el pozo.

De este modo, la principal diferencia entre un nivel fretico y otro piezomtrico, es que, mientras el primero es "real" y prcticamente invariable (en funcin, principalmente, de la pequea variacin baromtrica del lugar), el piezomtrico es "virtual" y es funcin de la profundidad que alcancemos con la perforacin o excavacin de un pozo o sondeo; ascendiendo, en un sector de descarga (flujos subterrneos ascendentes); o descendiendo, en un sector de recarga (flujos subterrneos descendentes). Tambin el nivel piezomtrico puede ser independiente de la profundidad, en ciertas reas denominadas "de trnsito" (flujos subterrneos horizontales).

Estructura

Un acufero es un terreno rocoso permeable dispuesto bajo la superficie, en donde se acumula y por donde circula el agua subterrnea. En un acufero "libre" se distinguen:

Una zona de saturacin, que es la situada encima de la capa impermeable, donde el agua rellena completamente los poros de las rocas. El limite superior de esta zona,que lo separa de la zona vadosa o de aireacin, es el nivel fretico y vara segn las circunstancias: descendiendo en pocas secas, cuando el acufero no se recarga o lo hace a un ritmo ms lento que su descarga; y ascendiendo, en pocas hmedas.

Una zona de aireacin o vadosa, es el espacio comprendido entre el nivel fretico y la superficie, donde no todos los poros estn llenos de agua.

Cuando la roca permeable donde se acumula el agua se localiza entre dos capas impermeables, que puede tener forma de U o no, vimos que era un acufero cautivo o confinado. En este caso, el agua se encuentra sometida a una presin mayor que la atmosfrica, y si se perfora la capa superior, fluye como un surtidor, tipo pozo artesiano.

Por lo que, perforando el terreno hasta la zona de saturacin es como se obtiene un pozo ordinario, mientras que, como vimos, la formacin de un manantial surgente o pozo artesiano se produce en un acufero cautivo, cuando el nivel piezomtrico "virtual" aflora en la superficie y las aguas surgen al exterior.

Tipos de acuferos

Tipos de acuferos

Desde el punto de vista de su conformacin se pueden distinguir los acuferos libres, y los acuferos confinados.

En la figura al lado se ilustran los dos tipos de acuferos:

ro o lago (a), en este caso es la fuente de recarga de ambos acuferos.

suelo poroso no saturado (b).

suelo poroso saturado (c), en el cual existe una camada de terreno impermeable (d), formado, por ejemplo por arcilla, este estrato impermeable confina el acufero a cotas inferiores.

suelo impermeable (d).

acufero no confinado (e).

manantial (f);

pozo que capta agua del acufero no confinado (g).

pozo que alcanza el acufero confinado, frecuentemente el agua brota como en un surtidor o fuente, llamado pozo artesiano (h).

Recarga

El agua del suelo se renueva en general por procesos activos de recarga desde la superficie. La renovacin se produce lentamente cuando la comparamos con la de los depsitos superficiales, como los lagos, y los cursos de agua. El tiempo de residencia (el periodo necesario para renovar por completo un depsito a su tasa de renovacin normal) es muy largo. En algunos casos la renovacin est interrumpida, por la impermeabilidad de las formaciones geolgicas superiores (acuitardos), o por circunstancias climticas sobrevenidas de aridez.

En ciertos casos se habla de acuferos fsiles, estos son bolsones de agua subterrnea, formados en pocas geolgicas pasadas, y que, a causa de variaciones climticas ya no tienen actualmente recarga.

El agua de las precipitaciones (lluvia, nieve,...) puede tener distintos destinos una vez alcanza el suelo. Se reparte en tres fracciones. Se llama escorrenta a la parte que se desliza por la superficie del terreno, primero como arroyada difusa y luego como agua encauzada, formando arroyos y ros. Otra parte del agua se evapora desde las capas superficiales del suelo o pasa a la atmsfera con la transpiracin de los organismos, especialmente las plantas; nos referimos a esta parte como evapotranspiracin. Por ltimo, otra parte se infiltra en el terreno y pasa a ser agua subterrnea.

La proporcin de infiltracin respecto al total de las precipitaciones depende de varios factores. La litologa (la naturaleza del material geolgico que aflora e la superficie) influye a travs de su permeabilidad, la cual depende de la porosidad, del diaclasamiento (agrietamiento) y de la mineraloga del sustrato. Por ejemplo, los minerales arcillosos se hidratan fcilmente, hinchndose siempre en algn grado, lo que da lugar a una reduccin de la porosidad que termina por hacer al sustrato impermeable. Otro factor desfavorable para la infiltracin es una pendiente marcada. La presencia de vegetacin densa influye de forma compleja, porque reduce el agua que llega al suelo (interceptacin), pero extiende en el tiempo el efecto de las precipitaciones, desprendiendo poco a poco el agua que moja el follaje, reduciendo as la fraccin de escorrenta y aumentando la de infiltracin. Otro efecto favorable de la vegetacin tiene que ver con las races, especialmente las races densas y superficiales de muchas plantas herbceas, y con la formacin de suelo, generalmente ms permeable que la mayora de las rocas frescas.

La velocidad a la que el agua se mueve depende del volumen de los intersticios (porosidad) y del grado de intercomunicacin entre ellos. los dos principales parmetros de que depende la permeabilidad. Los acuferos suelen ser materiales sedimentarios de grano relativamente grueso (gravas, arenas, limos, ). Si los poros son suficientemente amplios, una parte del agua circula libremente a travs de ellos impulsada por la gravedad, pero otra queda fijada por las fuerzas de la capilaridad y otras motivadas por interacciones entre ella y las molculas minerales.

En algunas situaciones especiales se ha logrado la recarga artificial de los acuferos, pero este no es un procedimiento generalizado, y no siempre es posible. Antes de poder plantearse la conveniencia de proponer la recarga artificial de un acufero es necesario tener un conocimiento muy profundo y detallado de la hidrogeologa de la regin donde se encuentra el acufero en cuestin por un lado y por otro disponer del volumen de agua necesario para tal operacin.

Descarga

El agua subterrnea mana (brota) de forma natural en distintas clases de surgencias en las laderas (manantiales) y a veces en fondos del relieve, siempre all donde el nivel fretico intercepta la superficie. Cuando no hay surgencias naturales, al agua subterrnea se puede acceder a travs de pozos, perforaciones que llegan hasta el acufero y se llenan parcialmente con el agua subterrnea, siempre por debajo del nivel fretico, en el que provoca adems una depresin local. El agua se puede extraer por medio de bombas.

Otras veces, se puede hablar de una descarga debida a un flujo hipodrmico o "interflujo", que es aquel que circula de modo somero y rpido por ciertas formaciones permeables de escasa profundidad, por lo general, ligada a alveos fluviales (acuferos sublveos); que proceden de una rpida infiltracin, alta velocidad de transmisin, y escaso recorrido, que hacen que pronto vuelvan al exterior, representando ser formaciones de escaso o nulo almacenamiento.

Sobreexplotacin

Los pozos se pueden secar si el nivel fretico cae por debajo de su profundidad inicial, lo que ocurre ocasionalmente en aos de sequa, y por las mismas razones pueden dejar de manar las fuentes. El rgimen de recarga puede alterarse por otras causas, como la repoblacin forestal, que favorece la infiltracin frente a la escorrenta, pero an ms favorece la evapotranspiracin, o por la extensin de pavimentos impermeables, como ocurre en zonas urbanas e industriales.

La principal razn para el descenso del nivel fretico es sin embargo la sobreexplotacin. En algunas partes del mundo la extensin de la irrigacin y de otras actividades que consumen agua se ha hecho a costa de acuferos cuya recarga es lenta o casi nula. El resultado ha sido diverso pero siempre negativo. En algunos casos la sobreexplotacin ha favorecido la intrusin de agua salina por la proximidad de la costa, provocando la salinizacin del agua e indirectamente la de los suelos agrcolas.

Contaminacin del agua subterrnea

El agua subterrnea tiende a ser dulce (es decir, de muy baja salinidad) y potable (puede ser bebida sin riesgo). Sin embargo en ocasiones las capas freticas son demasiado ricas en sales disueltas como para ser consumida, y eso mismo puede resultar inconveniente tambin para otros usos determinados. La circulacin subterrnea tienden a depurar el agua de partculas y microorganismos, pero en ocasiones stos llegan al acufero por contaminacin debida a los usos humanos, como fosas spticas o residuos agrcolas. El agua subterrnea puede contaminarse por otras causas antropognicas (debidas a los seres humanos), como la infiltracin de nitratos y otros abonos qumicos muy solubles usados en la agricultura, que suele ser una causa grave de contaminacin de los suministros en llanuras de elevada productividad agrcola y densa poblacin.

Algunos contaminantes se originan de la erosin natural de las formaciones rocosas. Otros contaminantes provienen de descargas de fbricas, productos agrcolas, o qumicos utilizados por las personas en sus hogares y patios. Los contaminantes tambin pueden provenir de tanques de almacenamiento de agua, pozos spticos, lugares con desperdicios peligrosos y vertederos. Actualmente, los contaminantes del agua subterrnea que ms preocupan son los compuestos orgnicos industriales, como disolventes, pesticidas, pinturas, barnices, o los combustibles, como la gasolina.

Otro captulo lo forman los abonos qumicos minerales, especialmente los nitratos, que son el contaminante inorgnico ms conocido y quizs uno de los que genera mayor preocupacin. El nitrato se origina de diferentes fuentes: aplicacin de fertilizantes, pozos spticos que no estn funcionando bien, lagunas de retencin de desperdicios slidos no impermeabilizadas por debajo y la infiltracin de aguas residuales o tratadas. El envenenamiento con nitrato es peligroso en los nios. Altos niveles de nitrato en el cuerpo pueden limitar la capacidad de la sangre para transportar oxgeno, causando asfixia en bebs. En el tubo digestivo el nitrato se reduce produciendo nitritos, que son cancergenos.

En el bajo valle del Ganges se da un caso particularmente serio de contaminacin por arsnico, que est causando la intoxicacin crnica, para combatir la cual no se encuentran medios, de decenas de millones de personas. La causa es la combinacin de un factor antropognico, la contaminacin orgnica ligada a la intensificacin del regado, y una natural, una cepa bacteriana del suelo que, bajo las nuevas condiciones, libera el arsnico soluble y txico que antes permaneca retenido en la roca. ste es sin duda el problema ms agudo de contaminacin detectado hasta la fecha.

El agua subterrnea en reas costeras puede contaminarse por intrusiones de agua de mar cuando la tasa de extraccin es muy alta, causando que el agua del mar penetre en los acuferos de agua dulce. Este problema se puede aplazar diseando apropiadamente la ubicacin de los pozos y excavando otros pozos que ayuden a mantener el agua salada lejos del acufero de agua dulce, pero es inevitable a la larga mientras la extraccin supere a la recarga por agua dulce.

La contaminacin del agua subterrnea es especialmente grave por su persistencia. Es una consecuencia de su pequea tasa de renovacin y largo tiempo de residencia. Adems el agua no tiene la accesibilidad necesaria para usar procesos artificiales de depuracin como los que se puede aplicar en caso de necesidad a los depsitos superficiales.

AGUA SUBTERRNEAhidrulicaEl agua que se encuentra por debajo de la superficie del suelo, en los distintos estados y relaciones de composicin con la parte slida y gaseosa, se conoce como agua subterrnea. Representa una fase muy importante del ciclo hidrolgico ya que la mayor parte del flujo en corrientes permanentes de agua proviene del agua subterrnea. A su vez una parte del flujo en corrientes intermitentes puede filtrarse bajo la superficie, por lo que ningn examen sobre agua superficial que tenga caractersticas de evaluacin integral del recurso puede ignorar las relaciones con los procesos subsuperficiales.

Toda formacin geolgica que contiene agua ocupando la totalidad de los vacos y que la transmite de un punto a otro en cantidades suficientes para permitir su desarrollo econmico, recibe el nombre de acufero. En contraste, un acuicluso es una formacin que contiene agua pero que no la transmite con la rapidez suficiente para proveer un abastecimiento significativo a un pozo o a un manantial. Un acuifugo no tiene intersticios interconectados y no puede retener o transmitir el agua. Se define como nivel fretico o tabla de agua, en los acuferos libres, al lugar geomtrico de los puntos donde la presin hidrosttica es igual a la presin atmosfrica. Por encima del nivel fretico los poros del suelo pueden contener aire o agua, por lo cual se la llama zona de aereacin. En la zona fretica, por debajo de la tabla de agua, los intersticios estn llenos de agua por lo cual se la llama tambin zona de saturacin. En la zona de aereacin encontramos agua higroscpica (adherida en una capa delgada alrededor de los granos del suelo) y agua capilar ubicada en los poros ms pequeos y tambin en una franja que comprende la regin por encima del nivel fretico (tensin capilar). El agua en trnsito dentro de los intersticios ms gruesos del suelo es el agua gravfica o gravitacional, la que se encuentra mayormente en la zona de saturacin. El elemento variante ms importante del suelo en la zona de aereacin es por lo tanto el agua capilar. Si el agua subterrnea se halla en una formacin geolgica cubierta por un estrato impermeable, est formando un acufero confinado, artesiano o cautivo, encontrndose el agua sometida a una presin generalmente mayor a la atmosfrica por el peso de la sobrecarga y el propio nivel hidrosttico. Si un pozo llega a penetrar la capa confinante, el agua subir hasta alcanzar el nivel piezomtrico, que es el equivalente artesiano del nivel fretico, y si ese nivel se encuentra por encima de la superficie del terreno, el pozo descargar como un manantial o pozo surgente. La porosidad de un material es la relacin existente entre el volumen de vacos o espacios ocupados por el agua, y el volumen total del material, expresado en porcentaje:

P [% ] = (W / V) . 100

Donde W: volumen de agua

V: volumen total de la muestra.

Una alta porosidad (arcilla, p. ej.) no indica necesariamente un acufero de buena productividad, ya que gran parte del agua puede ser retenida en pequeos intersticios bajo la tensin capilar a medida que se extrae el agua. El rendimiento especfico de un acufero es la relacin entre la cantidad de agua que puede drenar libremente el material y el volumen total de la formacin, resultando siempre menor que la porosidad total, y asociado al concepto de porosidad eficaz. La relacin entre el rendimiento especfico (Sy) y la porosidad total (P) depende del tamao de las partculas en la formacin. Un acufero de textura fina tendr un rendimiento especfico pequeo, mientras que un acufero de textura gruesa tendr uno mayor, ya que es capaz de producir una mayor cantidad de su agua almacenada. La retencin especfica (Sr) es la parte de la porosidad total de un acufero que no puede ser fcilmente extrada, resultando la suma de ambos:

P [ % ] = Sy + Sr

Algunos materiales tpicos que conforman los acuferos tienen las siguientes

propiedades, como valores promedio:

Se define como Coeficiente de Almacenamiento (S) del acufero al volumen desplazado por una columna del acufero de superficie unitaria (1 cm ) cuando la superficie fretica desciende un valor unitario (1 cm) en un acufero libre, lo que equivale esencialmente al rendimiento especfico (porosidad eficaz). El mismo concepto, aplicado a un acufero confinado, implica el descenso en un valor unitario de la presin hidrosttica en la columna del prisma acufero considerado. Los valores promedio de S para acuferos libres oscilan entre 0.3 a 0.05, mientras que para acuferos cautivos, donde predomina el espesor (e) sobre el Coeficiente de Almacenamiento, estn entre 0.001 a 0.00001.

Coeficiente de Permeabilidad (K): tambin llamado Coeficiente de Conductividad Hidrulica, representa la velocidad promedio del flujo subterrneo a travs del medio poroso saturado que compone el acufero y sobre la cual influyen las propiedades del fluido, el tamao de poros y granos del suelo, su textura y su estructura o empaquetamiento.

Mtodos para determinar la conductividad hidrulica (K) en campo: el mtodo del agujero de barreno (auger hole method), basado en la recuperacin del nivel fretico producido en una perforacin registrando la evolucin de los descensos (y) en el tiempo (t). Utiliza la frmula de Ernst generalizada segn la siguiente expresin:K = C . y / t ; C = (4.62 . r. H) / (20 . r + H) . ( 2 . H y)

Siendo

y : descensos medidos a partir del nivel esttico (mts.);

H : desnivel entre el fondo de la perforacin y el nivel esttico (mts.);

r : radio de la perforacin (mts.)

Procedimiento aplicable a profundidades entre 2.50 a 3.00 mts. como mximo.

Elementos para realizar el ensayo: barreno de 4 pulgadas, extractor de agua manual, sonda para medicin de la profundidad, filtro para revestimiento interno en suelos arenosos sueltos desmoronables, cronmetro.

Duracin del ensayo: cubierto el tercio inferior del espesor total del manto, puede terminarse el proceso de medicin.Formaciones acuferas que presentan estratificacin

En los acuferos que presentan estratificacin o heterogeneidad en su textura se define como isotropa el que mantengan constantes sus propiedades hidrulicas, en particular la permeabilidad. Cuando por el contrario, debido a su estratificacin, las condiciones en las cuales se produce el movimiento del agua son variables, estamos en presencia de anisotropa. En este ltimo caso, vamos a tener distintos valores del Coeficiente de Permeabilidad, de acuerdo a las caractersticas de cada estrato que conforma el acufero, y entonces resulta necesario diferenciar entre determinaciones de permeabilidad media, horizontal y vertical.

El concepto de permeabilidad media surge cuando tenemos una componente horizontal y otra vertical del movimiento del agua en un acufero, calculndose con la siguiente expresin:

Km = Kh . Kv

La permeabilidad vertical se calcula cuando el flujo de agua circula en sentido perpendicular a la estratificacin, por lo tanto el caudal unitario que atraviesa cada estrato es constante, desarrollndose el clculo de la forma siguiente:

l1 + l2 + l3 = L (espesor total del acufero)

q = Kv . H / L = ki . hi / li

H : prdida de carga total ; hi : prdida de carga en cada estrato i

hi = (Kv / ki) . H . (li / L)

hi = H = Kv . (H / L) . (li / ki)

Resultando entonces: Kv = L / ( (li / ki) )

La permeabilidad horizontal surge cuando el flujo de agua circula en sentido paralelo a la estratificacin, entonces el gradiente hidrulico de la formacin ser el mismo para cada estrato y variarn los caudales de circulacin por estrato:

Utilizando la misma nomenclatura del ejemplo anterior, siendo R la trayectoria del

fluido en el acufero

Kmh . H / R = k1 . (h1 / R) + k2 . (h2 / R) + k3 . (h3 /R)

Kmh = (k1 . h1 + k2 . h2 + k3 . h3) / HHidrulica de pozosSe entiende bajo esta expresin el anlisis que se realiza del movimiento del flujo subterrneo cuando est en operacin un procedimiento de extraccin mediante bombeo hacia un denominado pozo de captacin o de bombeo.

Flujo en rgimen establecido o rgimen de equilibrio

Si se trata de un acufero homogneo de extensin finita con una capa fretica

inicialmente horizontal, es necesario que exista o se forme un gradiente hidrulico en la direccin del pozo para que se establezca un flujo de agua hacia l, formndose en ese caso un cono de depresin. Si el descenso de la superficie fretica o abatimiento es pequeo respecto al espesor total del acufero y a su vez el pozo penetra totalmente en la formacin, las lneas de corriente del flujo hacia el pozo se pueden suponer horizontales. En esa situacin, es posible deducir una frmula aproximada que relacione el caudal del pozo con las caractersticas del acufero.

La ecuacin propuesta inicialmente por DUPUIT(1863) para acuferos libres y modificada posteriormente por THIEM (1906) para acuferos cautivos se basa en el anlisis siguiente:

El flujo hacia el pozo a travs de una superficie cilndrica de radio x, donde y es la altura del cono de depresin medida sobre el fondo del acufero, debe igualar el caudal extrado del pozo de bombeo y, de acuerdo con la ley de Darcy (q = K . A . i )

Q = 2 . . x . y . K . ( dy/dx)

donde 2xy representa el rea del cilindro a travs de la cual circula el flujo de agua hacia el pozo y dy/dx es la pendiente de la tabla de agua (gradiente hidrulico). Integrando esa expresin entre dos pozos de observacin ubicados a distancias r1 y r2 del pozo de bombeo, cuando las alturas de la tabla de agua sobre la base del acufero en dichos pozos tiene valores h1 y h2, se obtiene:

Q = . K . ( h1 - h2 ) / ( ln (r1/r2))

En el caso de un acufero cautivo el procedimiento resulta similar, pero al existir un techo confinante la superficie aportante queda incluida en el espesor del acufero (e) ,resultando:

Q = 2. . K . e . (h1 h2) / (ln (r1/r2))

Para que estas expresiones tenga una aplicacin consistente con la situacin de campo, deben cumplirse la denominadas Hiptesis de la Ley de DUPUIT:

Ocurrencia de flujo en rgimen permanente

Tanto el agua como la roca acufera resultan incompresibles

Las superficies equipotenciales que conforman la red de flujo son planas

Tienen validez las premisas que establece la Ley de DARCY

La componente vertical de la velocidad en la red de flujo es NULA

Se trata de un medio homogneo e istropo

El espesor (e) y el radio de influencia (R) son constantes.

Durante el perodo inicial de bombeo de un pozo nuevo, la mayora del caudal se obtiene del almacenamiento contenido en la parte del acufero que se deseca a medida que se desarrolla el cono de depresin. Los anlisis con base en condiciones de equilibrio producen valores muy altos de la permeabilidad, porque slo una parte del caudal total proviene del flujo a travs del acufero hacia el pozo, lo que conduce a una sobreestimacin de la produccin potencial de dicho pozo, y consecuentemente del acufero.

Como anexo al final de este texto se presentan los esquemas grficos que permiten interpretar ms cabalmente los procesos descriptos.

Flujo en rgimen de variacin, o de no equilibrio

Como consecuencia de la sobreestimacin que producen los mtodos de equilibrio, se han desarrollado mtodos de evaluacin del flujo subterrneo que tienen en cuenta el no cumplimiento de algunas de las premisas de la Ley de DUPUIT, y en particular que no se produce una transmisin permanente entre la extraccin de agua y la recarga, influyendo entonces la variable tiempo en el esquema de anlisis a realizar.

THEIS (1935) present una frmula basada en la analoga de transmisin del calor en un medio poroso, que tiene en cuenta el efecto del tiempo y las caractersticas de almacenamiento del acufero:

s = Q . W (u)/ ( 4 . . T ) (1)

Siendo:

W (u) = e-u . du ; ..(2)

U

u = r . S / ( 4 . t . T ) (3)

t : tiempo en das desde la iniciacin del bombeo

S : constante de almacenamiento del acufero

s : depresin o abatimiento de un pozo de observacin a una distancia r del pozo de bombeo;

Q : caudal en m/da;

T : transmisibilidad en m/da/m, como producto del Coeficiente de Permeabilidad por el espesor (e) del acufero;

U : variable de pozo;

W (u) : funcin de pozo.

La Funcin de pozo de u puede evaluarse del desarrollo de la serie:

W (u) = - 0.5772 ln u + u u/(2 . 2!) + u/(3 . 3!) (4)

Funcin que est resuelta para una diversa gama de valores de u , y que representada grficamente como funcin patrn contribuye a la aplicacin del mtodo de coincidencia o de superposicin grfica entre la Curva patrn W(u) vs. u y la Curva experimental obtenida de los datos de campo.

Las curvas experimentales que pueden realizarse, utilizando papel con escalas

logartmicas, se disean a partir de los siguientes pares de variables:

log s log r/t (para un tiempo fijo t)

los s log t (para cada piezmetro de observacin)

log s los r (con la informacin proporcionada por varios piezmetros)

Las ecuaciones presentadas, agrupadas segn la forma siguiente, justifican el proceso de superposicin grfica que se utiliza:

s1 = Q . W (u1) / 4 . . T (5)

u1 = (r1 / t ) . ( S/ 4 . T ) (6)

donde los valores con el subndice 1 estn indicando las variables que se representan en las grficas de curva patrn y curva experimental. Los dems elementos de las ecuaciones son constantes.

De la superposicin de ambas curvas manteniendo sus ejes paralelos, se ajusta un tramo o al menos un punto de superposicin. Las coordinadas de ese punto comn se utilizan para obtener T y S por medio de las ecuaciones (5) y (6). En las representaciones grficas del anexo a este texto puede observarse con mayor claridad la aplicacin descripta.

Aproximacin logartmica de JACOB

Cuando u es un valor pequeo, los trminos de la ecuacin que define W(u) despus de ln u son tambin pequeos y pueden ser eliminados. La ecuacin (3) indica que u ser pequeo cuando t sea grande, y en este caso es posible una solucin modificada del Mtodo de THEIS, mediante el proceso siguiente:

W (u) = - 0.5772 ln u , donde 0.5772 = ln 0.5615 (7)

s = ( Q / 4 . . T) . ln (0.5615/u) (8)

s = s2 s1 = (Q / 4 . . T) . ln (u2/u1), (9) resultando

T = (2,3 . Q / 4 . . s) . log (t2/t1) (10)

Donde s es el cambio de abatimiento entre el tiempo t1 y el tiempo t2, tomado de un grfico semilogartmico (s en escala decimal y t en escala logartmica) donde ese cambio se toma para un ciclo logartmico del grfico, lo que produce log (t2/t1) = 1 y se determina fcilmente el valor de T. Por otra parte, extendiendo la parte recta de la curva s vs. t hasta el valor de abatimiento s = 0 se obtiene un tiempo to ( en das) para el cual se aplica la ecuacin S = ( 2,25 . T . to ) / r La cual es consecuencia de que en la ecuacin (8) s = 0 solamente si 0.5615 = (r . S) / 4 . T . to De ese modo se obtiene los parmetros hidrulicos del acufero, Transmisibilidad (T) y Coeficiente de Almacenamiento (S), que permiten representar las diferentes condiciones de explotacin de un acufero para determinar sus posibilidades de un aprovechamiento ambiental y econmicamente sustentable.

Como en la ecuacin de THIEM, THEIS supone lneas de flujo paralelas, o sea abatimientos pequeos y penetracin completa del acufero en el pozo. An cuando THEIS compensa el efecto de almacenamiento del acufero, supone un desecamiento instantneo del material del acufero a medida que el nivel de agua desciende. Estas condiciones son razonablemente exactas en acuferos cautivos, sin embargo el mtodo debe utilizarse con cuidado en el caso de acuferos de espesor delgado o de baja permeabilidad, cuando stos son libres o freticos.

Potencial de un depsito de agua subterrnea

Una cuestin bsica en la explotacin de los recursos de agua subterrnea es la estimacin de la tasa de extraccin de agua permisible, cantidad que se llama comnmente produccin firme o rendimiento seguro (Meinzer, 1923). Esta tasa de produccin firme debe reconocerse como una cantidad determinada para un cierto conjunto de condiciones de control y sujeta a cambio como resultado de la variacin de las condiciones fsicas o econmicas relacionadas con ella. Las variedad de factores a los cuales est sujeta la extraccin posible de un pozo o un conjunto de pozos conectados a un acufero pasan por el tamao, el tipo de construccin y separacin entre pozos y los parmetros que controlan el flujo de agua hacia el rea de bombeo.

El volumen total de agua disponible es uno de los principales factores que gobiernan la produccin firme, siendo entonces una limitacin que se expresa por: G = P Qs Et + Qg - Sg - Ss

G: produccin firme;

P: precipitacin en el rea tributaria del acufero;

Qs: flujo de corrientes superficiales en la misma rea;

Et: evapotranspiracin;

Qg: flujo neto de agua subterrnea hacia el acufero;

Sg: cambio en el almacenamiento de agua subterrnea;

Ss: cambio en el almacenamiento de agua superficial, que analizado en base a medias anuales es usualmente cercano a cero.

Esta ecuacin no puede considerarse como una ecuacin de equilibrio propiamente dicha, ni utilizarse en base a medias anuales, slo puede resolverse en base a hiptesis

especficas para un perodo definido de aos. Los factores que controlan dichas hiptesis son primordialmente econmicos, ya que la factibilidad de recarga o de derivacin de aguas superficiales tienen esas consideraciones. Tericamente existe un nivel de la superficie de agua para el cual el costo del bombeo iguala al valor del agua bombeada y por debajo del cual no se debe reducir el nivel fretico, porque adems una excesiva disminucin puede producir contaminacin del acufero por la afluencia de aguas indeseables.

Finalmente, en los acuferos cautivos de gran longitud, su Transmisibilidad (T) puede introducir limitaciones en la produccin firme, an cuando el clculo de G indique una tasa elevada, ya que la transmisin del agua de la fuente hacia los pozos debe tener la suficiente rapidez para mantener dicha tasa.