curso de hidrología agua subterránea

Curso de HidrologíaCurso de HidrologíaAgua SubterráneaAgua Subterránea

Por:Por:Sergio Velásquez MazariegosSergio Velásquez Mazariegos

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8.1 Definición8.1 Definición Agua subterráneaAgua subterránea es el agua que ocupa todos los vacíos es el agua que ocupa todos los vacíos

dentro del estrato geológico, comprende toda el agua dentro del estrato geológico, comprende toda el agua que se encuentra por debajo del nivel freático.que se encuentra por debajo del nivel freático.

De gran importancia en lugares secos ya que el escurrimiento De gran importancia en lugares secos ya que el escurrimiento se reduce mucho en algunas épocas del año.se reduce mucho en algunas épocas del año.

Proviene de la infiltración directa en el terreno de las lluvias o Proviene de la infiltración directa en el terreno de las lluvias o nieves, o indirectas de ríos o lagos.nieves, o indirectas de ríos o lagos.

InfiltraciónInfiltración es el proceso por el cual el agua penetra en es el proceso por el cual el agua penetra en las capas superiores del suelo.las capas superiores del suelo.

PercolaciónPercolación es el movimiento del agua en las capas del es el movimiento del agua en las capas del subsuelo.subsuelo.

8.1 Definición8.1 Definición

Corriente influente y efluenteCorriente influente y efluente

8.2 Distribución del agua en el subsuelo8.2 Distribución del agua en el subsuelo

Presión Atm=Presión hidrostáticaNivel de equilibrio • Superficie freática

• Tabla de agua sub.• Nivel freático• Nivel de agua sub.• Superficie libre• Capa freática


Zona no saturada = Zona no saturada = humedad del suelohumedad del suelo (agua (agua gravitacional o agua gravitacional o agua vadosavadosa

Agua subterránea = zona Agua subterránea = zona saturadasaturada

Una cierta región por Una cierta región por encima de la tabla de encima de la tabla de agua por acción capilar, agua por acción capilar, se mantendrá se mantendrá frecuentemente con los frecuentemente con los poros llenos de agua, poros llenos de agua, esta región es la llamada esta región es la llamada ““orla o franja capilarorla o franja capilar”.”.


Por encima de la Por encima de la tabla de agua existe tabla de agua existe presión negativa (orla presión negativa (orla capilar)capilar) -P-Pcccc==γγhhcccc

Por debajo de la tabla Por debajo de la tabla de agua tenemos de agua tenemos presiones positivaspresiones positivas P = P = γγDD

D

hcc= carga capilar críticahcc= carga capilar crítica

8.3 Clasificación de los acuíferos8.3 Clasificación de los acuíferos

Acuífero:Acuífero: Parte saturada del perfil del suelo y Parte saturada del perfil del suelo y que tiene la facilidad de almacenar y transmitir que tiene la facilidad de almacenar y transmitir el agua. Formado por capas del suelo.el agua. Formado por capas del suelo.

Capas que conforman el suelo tienen poco Capas que conforman el suelo tienen poco espesor en relación a su extensión horizontalespesor en relación a su extensión horizontal

Con fines hidrogeológicos las capas del suelo Con fines hidrogeológicos las capas del suelo se clasifican en:se clasifican en: PermeablesPermeables SemipermeablesSemipermeables ImpermeablesImpermeables


Capa permeable:Capa permeable: Sus propiedades transmisoras de agua son Sus propiedades transmisoras de agua son

favorables o, al menos màs favorables que la favorables o, al menos màs favorables que la de los estratos superiores o inferioresde los estratos superiores o inferiores

La resistencia al flujo vertical es pequeña y La resistencia al flujo vertical es pequeña y puede ser generalmente despreciada de puede ser generalmente despreciada de forma que únicamente deben tenerse en forma que únicamente deben tenerse en cuenta las pérdidas de energía causadas por cuenta las pérdidas de energía causadas por el flujo horizontal.el flujo horizontal.


Capa semipermeable:Capa semipermeable: Sus propiedades transmisoras de a agua son Sus propiedades transmisoras de a agua son

relativamente desfavorables.relativamente desfavorables. El flujo horizontal a lo largo de una distancia El flujo horizontal a lo largo de una distancia

significativa es despreciable, pero el flujo vertical no significativa es despreciable, pero el flujo vertical no puede despreciarse ya que la resistencia hidráulica puede despreciarse ya que la resistencia hidráulica del flujo es pequeña debido al espesor relativamente del flujo es pequeña debido al espesor relativamente pequeño de las capas.pequeño de las capas.

El flujo de agua en las capas semipermeables se El flujo de agua en las capas semipermeables se considera esencialmente vertical.considera esencialmente vertical.


Capa impermeable:Capa impermeable: Sus propiedades transmisoras de agua son tan Sus propiedades transmisoras de agua son tan

desfavorables que solamente fluyen a través de ella, desfavorables que solamente fluyen a través de ella, sea vertical u horizontal, cantidades de agua sea vertical u horizontal, cantidades de agua despreciables.despreciables.

Capas completamente impermeables son poco Capas completamente impermeables son poco frecuentes cerca de la superficie del suelo, pero son frecuentes cerca de la superficie del suelo, pero son comunes a mayores profundidades, donde han tenido comunes a mayores profundidades, donde han tenido lugar la compactación, cementación y otros procesos lugar la compactación, cementación y otros procesos de consolidación.de consolidación.


Las capas que contienen agua Las capas que contienen agua subterránea se combinan para formar subterránea se combinan para formar “acuíferos”.“acuíferos”.

Tipos de AcuíferoTipos de Acuífero LibreLibre ConfinadoConfinado SemiconfinadoSemiconfinado SemilibreSemilibre


Acuífero libre:Acuífero libre: Un acuífero libre, llamado Un acuífero libre, llamado

también acuífero freático o también acuífero freático o capa freática, es una capa freática, es una formación permeable formación permeable saturada limitada en su saturada limitada en su parte inferior por una capa parte inferior por una capa impermeable.impermeable.

El límite superior está El límite superior está formado por la tabla de formado por la tabla de agua, la que se encuentra agua, la que se encuentra en equilibrio con la presión en equilibrio con la presión atmosférica.atmosférica.

El agua en un acuífero libre El agua en un acuífero libre se llama agua freática o se llama agua freática o libre.libre.


Acuífero confinadoAcuífero confinado Es una formación permeable Es una formación permeable

completamente saturada de completamente saturada de agua y cuyos límites superior agua y cuyos límites superior e inferior son capas e inferior son capas impermeables.impermeables.

En los acuíferos confinados, la En los acuíferos confinados, la presión del agua en ellos, es presión del agua en ellos, es generalmente mayor que la generalmente mayor que la atmosférica, por tal razón, el atmosférica, por tal razón, el agua en pozos que penetran agua en pozos que penetran en tales acuíferos en tales acuíferos permanecen por encima del permanecen por encima del nivel superior de las capas nivel superior de las capas permeables.permeables.

El agua de un acuífero El agua de un acuífero confinado se denomina agua confinado se denomina agua confinada o agua artesiana.confinada o agua artesiana.

El valor de El valor de K´ K´ es es prácticamente nulo en relación prácticamente nulo en relación con el valor de con el valor de K.K.

KK''

KK

KK''

PP>Pat>Patmm


Acuífero semiconfinadoAcuífero semiconfinado Es una formación permeable Es una formación permeable

saturada, cuyo límite superior está saturada, cuyo límite superior está constituido por una capa constituido por una capa semipermeable y cuyo límite semipermeable y cuyo límite inferior puede ser una capa inferior puede ser una capa impermeable o semipermeable.impermeable o semipermeable.

La altura de la tabla de agua La altura de la tabla de agua difiere a menudo de la de la carga difiere a menudo de la de la carga piezométrica y al agua confinada piezométrica y al agua confinada en la capa permeable.en la capa permeable.

En esos acuíferos para la En esos acuíferos para la obtención de la superficie obtención de la superficie piezométrica se utilizan los piezométrica se utilizan los piezómetros.piezómetros.

Debido a la diferencia en la carga Debido a la diferencia en la carga hidráulica hay una componente hidráulica hay una componente del flujo vertical que tiende a del flujo vertical que tiende a elevar o bajar la capa freática.elevar o bajar la capa freática.

El agua de un acuífero El agua de un acuífero semiconfinado se llama semiconfinado se llama semiconfinada.semiconfinada.


La dimensión de la carga La dimensión de la carga piezométrica (φ) en un piezométrica (φ) en un acuífero, genera un flujo acuífero, genera un flujo vertical de agua de las capas vertical de agua de las capas semiconfinantes vecinas hacia semiconfinantes vecinas hacia el mismo o viceversa.el mismo o viceversa.

En forma general, el En forma general, el movimiento del flujo de agua movimiento del flujo de agua siempre se realiza de uno de siempre se realiza de uno de mayor carga piezométrica a mayor carga piezométrica a otro de menor carga.otro de menor carga.

Para la determinación del Para la determinación del movimiento se deben instalar movimiento se deben instalar piezómetros tanto en la capa piezómetros tanto en la capa superior e inferior del acuífero.superior e inferior del acuífero.


Acuífero semilibreAcuífero semilibre Es una formación casi Es una formación casi

semiconfinada, en la cual la semiconfinada, en la cual la conductividad hidráulica de la conductividad hidráulica de la capa semipermeable (grano capa semipermeable (grano fino) es tan grande que la fino) es tan grande que la componente horizontal de flujo componente horizontal de flujo de esta capa no puede ser de esta capa no puede ser despreciada.despreciada.

Este tipo de acuífero es Este tipo de acuífero es unaforma intermedia entre el unaforma intermedia entre el tradicional, acuífero tradicional, acuífero semiconfinado y el acuífero semiconfinado y el acuífero libre.libre.

Desde el punto de vista del Desde el punto de vista del valor de conductividad valor de conductividad hidráulica hidráulica K’ K’ valor de la capa valor de la capa ligeramente semiconfinante es ligeramente semiconfinante es ligeramente menor que ligeramente menor que K K del del acuífero propiamente dicho.acuífero propiamente dicho.

8.4 Constantes hidrogeológicas8.4 Constantes hidrogeológicas

Las más importantes son:Las más importantes son: Conductividad hidráulicaConductividad hidráulica Porosidad drenablePorosidad drenable

Secundarios:Secundarios: TransimisibilidadTransimisibilidad Resistencia verticalResistencia vertical Factor de fugaFactor de fuga


Conductividad hidráulica (K)Conductividad hidráulica (K) Define la capacidad del medio poroso de transmitir al agua a Define la capacidad del medio poroso de transmitir al agua a

través de si mismo.través de si mismo. Es la velocidad de infiltración que se presenta en un Es la velocidad de infiltración que se presenta en un medio medio

saturadosaturado, cuando la gradiente hidráulica es igual a la unidad:, cuando la gradiente hidráulica es igual a la unidad:

Unidades son m/día o cm/hora (no confundir con velocidad)Unidades son m/día o cm/hora (no confundir con velocidad) Depende del fluido (viscosidad y densidad) y del medio poroso Depende del fluido (viscosidad y densidad) y del medio poroso

(la permeabilidad solamente depende del medio poroso)(la permeabilidad solamente depende del medio poroso)• En suelos salinos existen cambios en la K.En suelos salinos existen cambios en la K.


Transmisividad (T)Transmisividad (T) La transmisividad o transmisibilidad es el producto de la La transmisividad o transmisibilidad es el producto de la

conductividad hidráulica por el espesor del acuífero, conductividad hidráulica por el espesor del acuífero, considerando el flujo básicamente horizontal.considerando el flujo básicamente horizontal.

La transmisividad y la conductividad hidráulica son los dos La transmisividad y la conductividad hidráulica son los dos parámetros que definen la capacidad de transmitir agua en los parámetros que definen la capacidad de transmitir agua en los acuíferos.acuíferos.

Si la formación acuífera es de naturaleza estratificada, en donde Si la formación acuífera es de naturaleza estratificada, en donde los valores de la conductividad hidráulica no son constantes a lo los valores de la conductividad hidráulica no son constantes a lo largo del eje vertical y muestran variación, la transmisividad largo del eje vertical y muestran variación, la transmisividad T T es es expresada por:expresada por:


Porosidad (Porosidad (ηη)) Se define como la relación del volumen de huecos Se define como la relación del volumen de huecos

(vacíos) al volumen total del terreno que los contiene, (vacíos) al volumen total del terreno que los contiene, es decir:es decir:

Depende de:Depende de:• Naturaleza fisicoquímica del terreno, granulometría de sus Naturaleza fisicoquímica del terreno, granulometría de sus

componentes, grado de cementación, meteorización, etc. componentes, grado de cementación, meteorización, etc.


Porosidad (Porosidad (ηη)) Valores de porosidadValores de porosidad

• 80-90%: depósitos 80-90%: depósitos aluviales (deltas)aluviales (deltas)

• <<1%: roca compactan1%: roca compactan

• 5-40%: material suelto de 5-40%: material suelto de acuíferosacuíferos

Porosidad pequeña: Porosidad pequeña: <<5%5% Porosidad media: 5-20%Porosidad media: 5-20% Porosidad grande: Porosidad grande: >20%>20%


Porosidad drenable (S)Porosidad drenable (S) Sinónimos:Sinónimos: porosidad drenable, espacio porosidad drenable, espacio

poroso drenable, porosidad efectiva, poroso drenable, porosidad efectiva, producción específica (para acuíferos libres) y producción específica (para acuíferos libres) y coeficiente de almacenamiento (solo para coeficiente de almacenamiento (solo para acuíferos confinados).acuíferos confinados).

Es la cantidad de agua que puede ser Es la cantidad de agua que puede ser drenada de un volumen de suelo saturado por drenada de un volumen de suelo saturado por efecto de la gravedad cuando la tabla de efecto de la gravedad cuando la tabla de agua es deprimida, se expresa en porcentaje.agua es deprimida, se expresa en porcentaje.


Retención Específica (Sr)Retención Específica (Sr) Es la cantidad de agua retenida contra la Es la cantidad de agua retenida contra la

gravedad por la fuerza de retención de los gravedad por la fuerza de retención de los pequeño poros cuando la tabla de agua es pequeño poros cuando la tabla de agua es deprimida.deprimida.

Su valor es complementario al de la Su valor es complementario al de la porosidad drenable y como tal es porosidad drenable y como tal es adimensional.adimensional.


Resistencia hidráulica o Resistencia vertical (C)Resistencia hidráulica o Resistencia vertical (C) Es la resistencia que se opone al flujo vertical, es una propiedad

específica de los acuíferos semiconfinados es también Llamada la recíproca del factor fuga o drenancia Se define como la relación del espesor saturado de la capa

semipermeable D´ y la conductividad hidráulica vertical de la misma K´v, es decir:

Caracteriza la resistencia de la capa semiconfinante o la fuga o drenancia hacia arriba o hacia abajo desde el acuífero o hacia el acuífero.

Dimensionalmente tiene la concepción de tiempo, y generalmente se expresa en días.

En el caso extremo de que el acuífero es confinado,


Factor de fuga o drenancia (Factor de fuga o drenancia (λ)λ) El factor de fuga, determina la distribución de la fuga El factor de fuga, determina la distribución de la fuga

o drenancia dentro del acuífero semiconfinado, es o drenancia dentro del acuífero semiconfinado, es decir, determina el origen del agua extraída de un decir, determina el origen del agua extraída de un pozo que alcanza el acuífero.pozo que alcanza el acuífero.

Altos valores de λ indican una gran resistencia al flujo Altos valores de λ indican una gran resistencia al flujo del estrato semipermeable, en comparación con la del estrato semipermeable, en comparación con la resistencia del acuífero propiamente dicho. En tal resistencia del acuífero propiamente dicho. En tal caso la influencia de la fuga o drenancia a través de caso la influencia de la fuga o drenancia a través de la capa semiconfinante es bastante pequeña.la capa semiconfinante es bastante pequeña.

El factor λ tiene la dimensión de una longitud (El factor λ tiene la dimensión de una longitud (LL) y es ) y es expresada generalmente en metros.expresada generalmente en metros.


Factor de fuga o Factor de fuga o drenancia (drenancia (λ)λ) Se representa como:

• Para un acuífero semiconfinado simple:


Factor de fuga o drenancia (Factor de fuga o drenancia (λ)λ) Para un acuífero semiconfinado doble

Definición de términos relacionados Definición de términos relacionados con el medio permeablecon el medio permeable

Suelo homogéneo:Suelo homogéneo: Es aquel en el cual el estrato presenta las Es aquel en el cual el estrato presenta las

mismas características físicas especialmente mismas características físicas especialmente en textura y estructura, dentro de los primeros en textura y estructura, dentro de los primeros 10 m de profundidad.10 m de profundidad.

Suelo heterogéneo:Suelo heterogéneo: Es aquel en el cual el estrato varía en sus Es aquel en el cual el estrato varía en sus

características físicas, presentándose características físicas, presentándose estratificado dentro de los primeros 10 m de estratificado dentro de los primeros 10 m de profundidad.profundidad.


Suelo isotrópico:Suelo isotrópico: Es aquel en el cual la conductividad hidráulica es la Es aquel en el cual la conductividad hidráulica es la

misma para cualquier dirección de flujo, en este caso misma para cualquier dirección de flujo, en este caso la conductividad hidráulica horizontal es igual a la la conductividad hidráulica horizontal es igual a la vertical, es decir: vertical, es decir: KH = KVKH = KV..

Suelo anisotrópico:Suelo anisotrópico: Es aquel en el cual la conductividad hidráulica cambia Es aquel en el cual la conductividad hidráulica cambia

según la dirección de flujo, en este caso la según la dirección de flujo, en este caso la conductividad hidráulica horizontal es diferente a la conductividad hidráulica horizontal es diferente a la vertical, es decir vertical, es decir KH KH ≠ ≠ KVKV..


Suelo isotrópico homogéneo:Suelo isotrópico homogéneo: Es aquel en el cual la conductividad hidráulica Es aquel en el cual la conductividad hidráulica

de los suelos, tiene el mismo valor en de los suelos, tiene el mismo valor en cualquier punto del acuífero y es cualquier punto del acuífero y es independiente de la dirección de flujo.independiente de la dirección de flujo.

Suelo anisotrópico homogéneo:Suelo anisotrópico homogéneo: Es aquel en el cual la conductividad hidráulica Es aquel en el cual la conductividad hidráulica

en una cierta dirección, tiene el mismo valor en una cierta dirección, tiene el mismo valor en cualquier punto del acuífero.en cualquier punto del acuífero.

8.5 Movimiento del agua en el 8.5 Movimiento del agua en el suelosuelo

Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o carga Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o carga total total ( ( φφ))

Se define como el trabajo necesario para mover una cantidad Se define como el trabajo necesario para mover una cantidad unitaria de agua. unitaria de agua.

La expresión de la energía que causa el movimiento se puede La expresión de la energía que causa el movimiento se puede dar por unidad de volumen (para fluidos), por unidad de masa o dar por unidad de volumen (para fluidos), por unidad de masa o por unidad de peso. por unidad de peso.

En las prácticas comunes de ingeniería, en las que trabaja solo En las prácticas comunes de ingeniería, en las que trabaja solo un fluido, tal es el caso del agua dulce, se expresa la energía un fluido, tal es el caso del agua dulce, se expresa la energía por unidad de peso.por unidad de peso.

Los potenciales son escalares no vectores, es decir, tienen Los potenciales son escalares no vectores, es decir, tienen solamente magnitud y no dirección.solamente magnitud y no dirección.

El trabajo o energía en general, viene representado por el El trabajo o energía en general, viene representado por el producto de una fuerza por una distancia en el sentido del producto de una fuerza por una distancia en el sentido del movimiento, es decir:movimiento, es decir:


Potencial, carga hidraúlica, carga Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o carga total piezométrica o carga total ( ( φφ)) Tenemos 3 clases de energía:Tenemos 3 clases de energía:

• PotencialPotencial

• De presión hidrostáticaDe presión hidrostática

• CinéticaCinética


Potencial, carga hidraúlica, carga Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o carga total piezométrica o carga total ( ( φφ)) Energía totalEnergía total


Potencial, carga hidraúlica, carga Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o carga total piezométrica o carga total ( ( φφ))

Cuando la cantidad unitaria de agua se toma como la unidad de Cuando la cantidad unitaria de agua se toma como la unidad de peso:peso:

La ecuación (8.3), es la forma más conocida de la ecuación de La ecuación (8.3), es la forma más conocida de la ecuación de Bernoulli.Bernoulli.


Potencial, carga hidraúlica, carga Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o carga total piezométrica o carga total ( ( φφ)) Considerando que bajo condiciones naturales Considerando que bajo condiciones naturales

la velocidad del flujo subterráneo es baja, nos la velocidad del flujo subterráneo es baja, nos queda:queda:


Potencial del agua en la Potencial del agua en la zona saturadazona saturada

La carga potencial o carga hidráulica del agua de la zona saturada en un punto A, es la elevación a la que el agua ascendería en un tubo abierto, cuyo extremo final coincidiera con el punto en cuestión, midiéndose dicha elevación desde un plano de referencia elegido arbitrariamente


Ley de DarcyLey de Darcy Describe el movimiento del

agua de la zona saturada a través del suelo.

Caudal que fluye a través de un medio poroso por unidad de tiempo (Q) es proporcional a la sección transversal A, a la diferencia entre cargas del fluido ∆φ en las superficies de entrada y de salida de la muestra, es decir la pérdida de carga ∆φ = φ1 - φ2, e inversamente proporcional a la longitud de la trayectoria del flujo.

Flujo específico o descarga específica:

• q=Q/A (m3/día/m2)


Ley de DarcyLey de Darcy Velocidad aparente:

• v=Q/A, entonces de la ecuación 8.6 se tiene:

Velocidad real:

η es siempre menor que 1


Gradiente hidraúlico (i)Gradiente hidraúlico (i) Es el cociente entre la

diferencia de carga entre dos puntos y la distancia medida a lo largo de la línea de corriente del flujo entre esos dos puntos

Es adimensional. No confundir el gradiente

hidráulico con la pendiente

Aplicando el concepto del gradiente hidráulico, las ecuaciones de la Ley de Darcy, se pueden expresar como:

8.5 Movimiento del agua en el suelo8.5 Movimiento del agua en el sueloEjemplo 1Ejemplo 1

Calcular el gradiente hidráulico de la figuraCalcular el gradiente hidráulico de la figura

8.5 Movimiento del agua en el suelo8.5 Movimiento del agua en el sueloEjemplo 1: SoluciónEjemplo 1: Solución

De la ecuación (8.5), se tiene:

Del gráfico: Φ1= h+L y φ2 = 0

luego:


Calcular el gradiente hidráulico de la figuraCalcular el gradiente hidráulico de la figura


Del gráfico: Φ1= H+Z1 y φ2 = (H-h)

+Z2

Siendo Z1 = Z2, se tiene:

Φ1- φ2=(H+Z1)-(H-h+ Z2)

Φ1- φ2=h

luego i = h/L

8.5 Movimiento del agua en el suelo8.5 Movimiento del agua en el sueloEjemplo 3: Para que lo hagan….Ejemplo 3: Para que lo hagan….

Calcular la conductividad hidráulica del suelo (en m/día) puesto en el permeámetro cilíndrico de la figura cuyo diámetro es 8 cm, teniendo en cuenta que en el vaso se recoge 60 cm3 de agua en una hora y que la carga de agua sobre el suelo es constante.

Q = 60 cm3/hr

6 cm

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