unalm as propiedades del acuifero

Aguas subterráneasAguas subterráneas

2012-12012-1

Sebastián Santayana Vela

Propiedades del acuíferoPropiedades del acuíferoUUNNAALLMM

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Propiedades físicas Propiedades físicas

Requeridas para cuantificar velocidad de flujo del agua subterránea, estimación de reservas diseño de pozos.

Porosidad. Permeabilidad. Compresibilidad de material

sólido y de fluido. Densidad del fluido y viscosidad.

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Densidad aparenteDensidad aparente

Masa por unidad de volumen Masa por unidad de volumen

vb =

mass in volume vvolume v

= Mvs

vt [2.1]

V = volumen particular usados = sólidos, sin fluidounidades: gr/cm3; kg/m3; (lb/ft3 )

V = volumen particular usados = sólidos, sin fluidounidades: gr/cm3; kg/m3; (lb/ft3 )

Relación de masa de suelo seco por unidad de volumen del suelo (seco 110°C). Incluye volumen de partículas sólidas y espacio poroso.

ap= masa suelo seco g/cm3 ó Mg/m3

Vol. suelo (+poros)

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Densidad real o de sólidosDensidad real o de sólidos

Frecuentemente reportada como “gravedad específica” (s), Frecuentemente reportada como “gravedad específica” (s), relación entre densidad de sólidos y del aguarelación entre densidad de sólidos y del agua

s = s = ss//ww

Frecuentemente reportada como “gravedad específica” (s), Frecuentemente reportada como “gravedad específica” (s), relación entre densidad de sólidos y del aguarelación entre densidad de sólidos y del agua

s = s = ss//ww

Es masa por unidad de volumen de sólidos. A diferencia de ap no incluye espacio poros.

sólidos (p) = masa sólidos (Ms) = g/cm3 ó Mg/m3

vol. sólidos (Vs)

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Densidad real o de sólidosDensidad real o de sólidos

Valores típicos de gravedad especifica:o 2.65 para cuarzo (comúnmente asumida)o 2.54 para feldespatoso 2.72 para calcitas o 5.0 para piritas.

Valores típicos de gravedad especifica:o 2.65 para cuarzo (comúnmente asumida)o 2.54 para feldespatoso 2.72 para calcitas o 5.0 para piritas.

Mineral p (g/cm3 o Mg/m3)

Magnetita 4,9 a 5,2Limonita 3,4 a 4,0Hematita 4,9 a 5,3Hidróxidos de Fe y Al 2,4 a 4,3Silicatos arcillosos 2,0 a 2,7Fe(OH)3 3,73Cuarzo 2,65Caolinita 2,50Montmorillonita 2,50Humus 1,37Materia orgánica (I razú) 0,51 a 2,17

VALOR PROMEDI O = 2,65 g/ cm3

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PorosidadPorosidad

n Vv

Vt

Vw

Vw Vs

Saturado:Saturado:

Vw + Va

Vw + Va + Vs

No saturado:No saturado:

n

Relación del volumen de vacíos al volumen total. Es adimensional, se expresa en porcentaje.

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Acuífero: medio porosoAcuífero: medio poroso

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Tipos principales de porosidadTipos principales de porosidad

88

Arenas y gravas Rocas ígneas Caliza

Intergranular Fisuras Cavernas

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Porosidad totalPorosidad total

n n = V = Vvv/(V/(Vvv + V + Vww + V + Vss))

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1010

Volumen del cilindro = 100 cm3 = VV

Volumen de agua adicionada = 35 cm3 = VVvv

n = 100Vn = 100Vvv/V/V

n = 100(35)/100 = 35%n = 100(35)/100 = 35%

Ejemplo de porosidadEjemplo de porosidad

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1111

Variación porosidadVariación porosidad

Porosidad varía por tamaño y forma de partículas y por manera de acomodo.

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1212

En materiales acuíferos desuniformes (pobremente graduados), granos pequeños ocupan espacios vacíos, reduciendo porosidad.

Forma de granos también afecta porosidad.

Variación porosidadVariación porosidad

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1313

Si el suelo inicialmente está seco, se mide el volumen de agua necesaria para saturar suelo.

Cómo se mide la porosidad?Cómo se mide la porosidad?

1 - rb/rs

Granulometría.Otras formas de estimar porosidad:

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1414

Otras propiedades del acuíferoOtras propiedades del acuífero

Porosidad efectiva (nPorosidad efectiva (nee) ) o rendimiento rendimiento específico (Sespecífico (Syy): ): porcentaje de poros interconectados a través de los cuales se produce flujo del agua subterránea. Relación entre volumen de agua drenada por gravedad y volumen total del medio poroso.

Razón de vacíos (e): Razón de vacíos (e): es un parámetro relacionado con porosidad:

ee = V = Vvv/V/Vss

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Porosidad efectivaPorosidad efectiva

1515ASubt. Acuífero. S. Santayana V.ASubt. Acuífero. S. Santayana V.

1616

Relacionado con volumen de agua que se puede extraer por unidad de volumen de un acuífero.

Volumen de agua que se libera de un volumen prismático de acuífero, de sección unitaria, cuando nivel piezométrico desciende un metro.

Es adimensional, se expresa en porcentaje (%).

Coeficiente de almacenamiento (S)Coeficiente de almacenamiento (S)

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Coeficiente de almacenamientoCoeficiente de almacenamiento

Acuífero libre Acuífero confinado

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S ~ 0.02 a 0.30S ~ 0.02 a 0.30 S < 0.005S < 0.005

1818

Coeficiente de almacenamientoCoeficiente de almacenamiento

En acuíferos libres:S = porosidad eficaz (acuífero se “desatura”)

En acuíferos confinados:S << porosidad eficaz (acuífero se “descomprime”)

Es suma del agua liberada por acuífero como consecuencia de dilatación que éste sufre al descomprimirse y agua que cede terreno al compactarse armazón por tener que soportar en mayor parte peso del terreno suprayacente.

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1919

Coeficiente de almacenamientoCoeficiente de almacenamiento

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2020

Razón entre volumen de agua retenido y volumen total.

Dado que capacidad específica capacidad específica representa volumen de agua que una muestra de suelo puede drenar debido a fuerza de gravedad, es fácil mostrar que porosidad total es igual a suma de capacidad y retención específica:

n n = S = SYY + S + SRR

Retención específica (SRetención específica (SRR))

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2121

Propiedades del acuíferoPropiedades del acuífero

Valores de porosidad y rendimiento específicoValores de porosidad y rendimiento específico

Material Porosidad Porosidad efectiva (%) (%)

Arcilla 45 3Arena 35 25Grava 25 22Grava y arena 20 16Arenisca 15 8Calizas y esquistos 5 2Cuarcitas y granitos 1 0,5

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RocasRocas

2222ASubt. Acuífero. S. Santayana V.ASubt. Acuífero. S. Santayana V.

Granito

Caliza

Arenisca

Arenisca

2323

Porosidad y granulometríaPorosidad y granulometría

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2424

GranulometríaGranulometría

Material acuífero se clasifica en base a diámetro de partículas que lo componen.Acuífero está constituido por partículas de diverso tamaño, por lo que su distribución granulométrica puede ser representado en papel semilogarítmico (curva granulométrica).Información de distribución granulométrica se obtiene mediante análisis granulométrico, utilizando mallas de diferente tamaño de abertura.

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2525

Fracciones granulométricasFracciones granulométricas

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2626

Curva granulométricaCurva granulométrica

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2727

Granulometría por tamizadoGranulometría por tamizado

Ensayos de granulometría tienen por finalidad determinar en forma cuantitativa, distribución de partículas del suelo de acuerdo a su tamaño.

Distribución de partículas con tamaño superior a 0.075 mm se determina mediante tamizado, con una serie de mallas normalizadas.

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2828

HidrometríaHidrometría

Para partículas < 0.075 mm, su tamaño se determina observando velocidad de sedimentación en una suspensión de densidad y viscosidad conocidas.

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Curva granulométricaCurva granulométrica

Tamaño de partículas (mm) retenidas en cada tamiz se representa en escala logarítmica horizontal. Escala, generalmente, decrece de izquierda a derecha.

En escala vertical se coloca: 1) porcentaje retenido acumulado ó 2) porcentaje acumulado de material que pasó tamiz, en escala de 0 a 100%.

En curvas granulométricas existen magnitudes, consideradas más o menos al azar, que pueden tomarse como valores característicos:Diámetro eficaz o de Hazen (D10);

Coeficiente de Uniformidad o de Hazen (D60/D10).

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3030

Utilidad de granulometríaUtilidad de granulometría

Variación de tamaños de partículas del acuífero. Definición del diámetro efectivo. Diseño de filtros de grava para pozos. Determinación de permeabilidad y/o

conductividad hidráulica. Definición del dx = diámetro para el cual x% son

menores. Coeficiente de uniformidad: (D60/D10)<4,

materiales bien clasificados; >6, mal clasificados o desuniformes.

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3131

Curva granulométricaCurva granulométrica

d60d10

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3232

Curva granulométricaCurva granulométrica

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3333

Curva granulométricaCurva granulométrica

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Conductividad hidráulica (K)Conductividad hidráulica (K)

Propiedad relacionada con facilidad que ofrece medio poroso al movimiento del agua. Flujo de agua a través de un área unitaria perpendicular a dirección del flujo, bajo acción de un gradiente hidráulico unitario, a temperatura de 20°C.

Se expresa en m/día.

Capacidad de un acuífero de dejar pasar agua

Grava ~ 1x102 cm/s

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3535

Mayor o menor facilidad conque agua fluye por poros del suelo. Depende de:

o Tipo de suelo;o Granulometría: graduación, forma de granos;o Relación de vacíos;o Grado de saturación;o En arcillas: doble capa.

Conductividad hidráulica (K)Conductividad hidráulica (K)

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3636

Valores típicos de KValores típicos de K

K (m/d) Calificación Comportamiento

K<10-2 Muy baja Impermeable

10-2<K<1 Baja Acuífero pobre

1<K<10 Media Acuífero regular

10<K<100 Alta Acuífero bueno

K<100 Muy alta Acuífero muy bueno

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3737

KK: conductividad hidráulica o coeficiente de permeabilidadconductividad hidráulica o coeficiente de permeabilidad Sólo depende del material acuífero, a través del cual se mueve el

agua, a determinada temperatura y presión. kk: permeabilidad intrínsecapermeabilidad intrínseca Depende de características del medio y del fluido.

µ = viscosidad dinámica = densidad g = aceleración de gravedad

Conductividad hidráulicaConductividad hidráulica (K) y permeabilidad (K) y permeabilidad intrínseca (k)intrínseca (k)

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Puede expresarse en darcys; Darcy: permeabilidad que permitirá una descarga específica, q, de

1 cm/s para un fluido con una viscosidad de 1 centipoise bajo un gradiente hidráulico, según:

Asi:

Darcy = 1 x 10-8 cm2

Permeabilidad intrínseca (k)Permeabilidad intrínseca (k)

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Variaciones en conductividad hidráulicaVariaciones en conductividad hidráulica

Si suelo no tiene misma K en todas direcciones, se puede encontrar una K equivalente considerando estratificación del suelo.Flujo paralelo a la estratificación:

Flujo perpendicular a estratificación:

K1

K2

K3

b1

b2

b3

BQ

K1 K2 K3

b1 b2 b3

B

Q

n

1iiibKB

1K

n

1i i

i

K

b

BK

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4040

Transmisividad (T)Transmisividad (T)

o Definida como flujo de agua a través de un área perpendicular a dirección del flujo, de ancho unitario y que se extiende sobre todo espesor del acuífero, bajo acción de un gradiente hidráulico unitario, a temperatura de 20°C.

T = mKT = mK

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Transmisividad (T)Transmisividad (T)

T (m2/d) Calificación

T<10 Muy baja

10<T<100 Baja

100<T<500 Media

500<T<1000 Alta

T>1000 Muy alta

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4242

Homogeneidad e isotropíaHomogeneidad e isotropía

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4343

Homogeneidad e isotropíaHomogeneidad e isotropía

Homogéneo, isotrópicoHomogéneo, isotrópico

Kz

Kx

Homogéneo, anisotrópicoHomogéneo, anisotrópico

Kz

Kx

Heterogéneo, isotrópicoHeterogéneo, isotrópico

Kz

KxHeterogéneo, Heterogéneo, anisotrópicoanisotrópico

Kz

Kx

Homogéneo = KHomogéneo = K no cambia con posición en acuífero; Heterogéneo = KHeterogéneo = K cambia con posición; Isotrópico = KIsotrópico = K no cambia con dirección; Anisotrópico = K Anisotrópico = K cambia con dirección.

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ssantayana@lamolina.edu.pe; ssantayana@gmail.com

Muchas graciasMuchas gracias