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CARACTERISTICAS HIDRAULICASDE INTERES EN MINERIA
Y MODELAMIENTO HIDROGEOLOGICOCOMPUTACIONAL
Mgtr. Roberto Poncela Poncela.
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INDICE1. Introduccin
2. Caractersticas y factores geolgicos importantes
Sistemas hidrogeolgicos
Formacin geolgica versus acufero
3. El agua en el macizo rocoso
El agua en el suelo y subsuelo, parmetros
Calidad del agua subterrnea
Normas para la realizacin de un estudio hidrogeolgico en minera
4. Comportamiento hidrulico en el macizo rocoso
Consideraciones generales y tendencias actuales en la caracterizacin hidrulica del macizo rocoso
5. Calculo de aporte de agua
Problemas del agua en minera
Calculo de caudales y presin de agua en explotaciones superficiales
6. Diseo de cunetas
Zanjas y cunetas
7. Sistemas de drenaje y bombeo de agua
Afeccin de agua en las labores mineras
Sistemas de drenaje y bombeo
Interpretacin de ensayos de bombeo
8. Sistemas de control de agua
Afeccin del agua en las labores mineras
Control de la contaminacin del agua en minera
9. Bibliografa
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ECONOMICO
SOCIALECOLOGICO
ATMOSFERA
LITOSFERA
HIDROSFERA
BIOSFERA
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Atmsfera.
Aguas continentales.
Ocanos y mares.
AGUA EN LA TIERRA
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HIDROGEOLOGIA
+EXPLOTACION MINERA
Alteracin del ciclo hidrolgiconatural.
Elevados costes de actuacin
(> 1/3 coste de explotacin). AGUA
Problema a resolver en la mina (caudal-calidad): Desde el punto de vista hidrodinmico, lamina acta como un sumidero de las aguas subterrneas, cuando se sita por debajo del nivelpiezomtrico.
Activo ambiental y ecolgico.
Drenaje minero: Valorar, minimizar y optimizar la evacuacin de losrecursos hdricos.
Impermeabilizacin.
Aislamiento.
Desvo.
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El ciclo hidrolgico se define como una unidad integral, que describe elmovimiento continuo (movimientos y transferencias) de las masas de agua
de la hidrsfera (constituida por la atmsfera y las capas superiores de lacorteza terrestre en sus tres estados: slido, lquido y gaseoso).
Desde el punto de vista de la hidrologa,el estado lquido se representa en: Lluvia. Ros. Lagos. Aguas subterrneas:
Zona saturada.
Zona no saturada (mayor proporcin).
CHRADIACION SOLAR. GRAVEDAD.
CICLO HIDROLOGICO
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Fuente: Instituto Geolgico y Minero de Espaa (IGME, 2001).
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La geologaes la disciplina que aporta a la hidrogeologa,el conocimiento detodos los condicionantes referentes al medio de soporte (roca almacn oacufero), dado que las posibilidades de almacenamiento de fluidos(particularmente, agua subterrnea), dependen de las caractersticasgeolgicas de las formaciones litolgicas concurrentes.
Los principales factores que controlan la formacin de una roca almacn oacufero son:
La litologade la formacin acufera. La estructura: Tanto gentico-deposicional, como tectnico-geomecnica.
1. CARACTERISTICAS Y FACTORES GEOLOGICOS
IMPORTANTES
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Lalitologa de la formacin acufera presenta las siguientes singularidades:
Control:
Quimismo del agua.
Formacin de acuferos propiamentedicha.
Capacidad de almacenamiento del aguasubterrnea.
Capacidad de circulacin del aguasubterrnea.
Permeabilidad horizontal y vertical.
Anisotropa horizontal y vertical.
Caractersticas
Textura.
Porosidad.
Porcentaje.
Tamao.
Distribucin granulomtrica. Estructura (diagnesis o proceso
gentico).
Permeabilidad.
Solubilidad.
Heterogeneidad espacial: cambioslaterales y verticales de facies.
1.1. LITOLOGIA
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La estructuradefine las dimensiones y la geometra, tanto del mbito regional(diferentes sistemas hidrogeolgicos), como local (acufero). Este presenta las
siguientes singularidades:
Control:
Extensin de la roca almacn o acufero:
Continuidad espacial.
Discontinuidad espacial.
La circulacin del agua subterrnea, enfuncin de las disposicin de las unidadeslitolgicas en el espacio y la Ley de Darcy.
Las condiciones de contorno:
Lmites de los acuferos.
Tipos de barreras que se puedenpresentar.
Red de drenaje superficial.
Caractersticas
Procesos diagenticos de consolidacin,ligados a la presencia dediscontinuidades y accionesgeomecnicas, durante estos procesos.
Esfuerzos geotectnicos: distensivos ycompresivos.
Esfuerzos tectnicos locales (ej.,fracturacin, diaclasacin yplegamiento).
Comportamiento geomecnico delmacizo (ej., asentamientos diferencialesy subsidencias).
1.2. ESTRUCTURA
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Es la acumulacin de agua subterrnea, limitada por lneas de flujo nulo y
susceptible a ser alumbrada y explotada dentro de un dominio geomtrico,
litolgico y estructural. En este, los flujos confluyen hacia las salidas definidas (ej.,
manantiales, ros, lagos y mares).
Los principales tipos de lmites de los sistemas hidrogeolgicos son:
Litolgicos: Condicionados fundamentalmente por una variacin en lapermeabilidad de la formacin.
Estructurales: Condicionados por la presencia y actuacin de los factorestectnicos, tanto locales como regionales (ej., diaclasas, fracturas y pliegues).
Hidrogeolgicos: Divisorias de aguas subterrneas y presencia de ros influentes,lagos, mares y otros.
Mixtos: Combinacin de uno o de todos de los anteriores.
1.3. SISTEMAS HIDROGEOLOGICOS
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Para caracterizar la geometra de estos sistemas, se deben realizar una serie de
prospecciones basadas en:
Tcnicas geolgicas convencionales. Tcnicas de exploracin del subsuelo:
Directas: Perforacin de sondeos y toma de muestras para anlisis. Indirectas: Principalmente, tcnicas geofsicas y geoqumicas.
Tcnicas de sensores remotos y tele-deteccin.
Los sistemas hidrogeolgicos de mayor productividad, se localizan en los
siguientes contextos geolgicos:
Cuencas sedimentarias.
Depsitos aluviales.
Unidades crsticas.
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No todas las formaciones geolgicas que almacenan agua, son capaces de
transmitirla; por lo que, el concepto de acufero queda ligado a esas dos
propiedades de la roca almacn. De acuerdo con ese planteamiento, se definen
los siguientes trminos:
Acufero: Formacin geolgica capaz de almacenar y transmitir agua, haciasurgencias naturales o captaciones artificiales (arenas, gravas, calizas y
carstificadas). Interesantes para la explotacin econmica.
Acuitardo: Formacin geolgica capaz de almacenar mayores volmenes de
agua que se transmiten lentamente (arcillas limosas y limos). En general,menos requerida para la explotacin econmica.
Acuicludo: Formacin geolgica capaz de almacenar agua (incluso hasta lasaturacin). No transmite arcillas. No es requerida para la explotacin
econmica.
Acufugo: Formacin geolgica que no almacena, ni transmite el agua (granitono alterado).
1.4. FORMACION GEOLOGICA VS. ACUIFERO
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Almacena agua Transmite agua til comocaptacin
til como baseimpermeable
ACUIFERO SI SI SI (ptimo) NO
ACUITARDO SI SI (lento)SI (baja
produccin)NO
ACUICLUDO SI NO NO SI
ACUIFUGO NO NO NO SI
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La principal propiedad de una roca almacn tipo acufero es la permeabilidad, que
condiciona el desplazamiento del agua y que est influenciada por los aspectos
geolgicos (ej., litologa y estructura).
En funcin de estas caractersticas, los acuferos se pueden localizar en:
Formaciones porosas. Formaciones fisuradas. Formaciones con doble porosidad. Formaciones carstificadas.
Porosidadprimaria
Porosidadsecundaria
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Formaciones porosas: Son formaciones geolgicas constituidas por partculas o
granos, cuya litologa, morfologa, disposicin y dimensiones son diversas,dejando entre s huecos o poros interconectados (ej., gravas y arenas). Tambin
pueden presentarse oquedades primarias interconectadas (ej., tobas o lavas).
Estos poros suelen estar ocupados por gases o fluidos.
Formaciones fisuradas: Son formaciones geolgicas en rocas consolidadas ocompactas, donde los huecos ms importantes estn constituidos por la
presencia de fisuras abiertas y fracturas (ej., granitos fisurados, basaltos y
fisurados).
Formaciones con doble porosidad: Formaciones geolgicas cuya transmisinde agua se debe a la interconexin de la porosidad primaria, junto con la
presencia de fisuras abiertas (fracturas), que aumentan la capacidad de
transmisin del agua.
Formaciones carstificadas: Formaciones geolgicas que por procesos dedisolucin, aumentan el tamao de los huecos (ej., poros y fisuras), tales como
algunas rocas carbonatadas y evaporticas.
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2. AGUA EN EL MACIZO ROCOSO
Principalmente, la gnesis de las aguas subterrneas es la lluvia que cae
sobre el terreno. Durante este proceso de precipitacin, las gotas de lluvia
pueden sufrir diferentes procesos fsicos, para que no se incorporen al
acufero:
Evaporacin directa durante la cada.
Interceptacin por la vegetacin.
Humedecimiento del terreno y posterior evaporacin.
Cada a zonas impermeables (salida a cauces superficiales y recogida
por red de pluviales).
Circulacin por pendientes y laderas hacia cauces superficiales.
2.1. Agua en el suelo y subsuelo, parmetros hidrulicos y tipos de acuferos.
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INT EV
E E
PP
II
I
ES 3
ES2
ED
S
HS
EH
Ri
RiRi
ES 1
Ri: Radiacin incidente.P: Precipitacin.
I: Infiltracin.S: Agua sobre la superficie de transporte o circulacin del agua (lecho o cauce de los ros).
ED: Escorrenta superficial directa (agua superficial).
EH: Escorrenta hipodrmica.
ES: Escorrenta subterrnea:
ES 1: Drena la cuenca vertiente.
ES 2: Drena hacia fuera de la cuenca vertiente.
ES 3: Aportaciones subterrneas de otras cuencas vecinas a la cuenca vertiente.
P: Precipitacin sobre el terreno o las masas de agua.E: Evaporacin.
HS: Retencin.
HS: Retencin (humedad del suelo).
INT: Intercepcin (vegetacin).
EVP: Evapotranspiracin (vegetacin y superficies libre de agua).
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Una vez que el agua de la lluvia ha alcanzado el terreno (no ha sido escurrida, ni
evapotranspirada por la accin de las plantas o la evaporacin directa a partir del
encharcamiento), se produce el fenmeno de infiltracin que consiste en el descensovertical del agua por la gravedad, a travs de los intersticios del terreno (incluidos
poros, macroporos y fisuras).
Si en el nivel piezomtrico o fretico, la lmina de agua se encuentra a presin
atmosfrica a una cierta distancia de la superficie del terreno, el agua que atraviesa el
subsuelo sigue el siguiente patrn:
Saturacin de la capa edfica (si es que existe).
Percolacin a travs de la zona no saturada, sometida a fuerzas de succin.
Llegada a la franja capilar.
Incorporacin al acufero como recarga.
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Precipitacin.
Zona de suelo.
Recarga dela napa. Napa.
Zona
no
Saturada.
Zona borde de capilaridad.
Zona de saturacin,por debajo de la napa.
Agua subterrnea.
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Los principales parmetros hidrulicos de inters en hidrogeologa son:
Porosidad.
Permeabilidad o conductividad hidrulica.
Transmisividad.
Coeficiente de almacenamiento.
2.1.1. PARAMETROS HIDRAULICOS
POROSIDAD
La porosidadde un material se define la relacin existente entre el volumende la parte vaca o hueca (incluso ocupada por aire y agua) y su volumen total.
Sea VS: Volumen de la parte slida, VV: Volumen de huecos; entonces, elvolumen total VT= VS+ Vv. En ese caso, se define la porosidad mcomo:
m=V
V
V
T
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La porosidad se expresa en porcentaje para la mayora de clculos. No debeconfundirse este concepto con el ndice de huecos, usado en mecnica de suelos,
representada por e = Vv/VS.
Esta propiedad est ligada a la granulometra de un medio o depsito, dependiente a
su tamao de grano, dimensiones y tipo de empaquetamiento.
De las curvas granulomtricas obtenidas en ensayos de laboratorio, pueden deducirse
algunos otros parmetros de inters como el dimetro eficaz (d10), que se definecomo el dimetro en mm para el cual un peso del 10 % del sedimento, tiene tamao
de grano inferior a l (es decir, pasarn por un tamiz de dicha apertura). Este
dimetro, en la curva acumulada se corresponde con la ordenada del 10 %.
Este valor indica la influencia de los elementos finos, en la reduccin de lapermeabilidad de un material acufero por reduccin de los poros.
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Asimismo, en las curvas granulomtricas obtenidas en ensayos de laboratorio,
se puede deducir el dimetro (d60), que permite calcular el denominadocoeficiente de uniformidad o coeficiente de Hazen, expresado por el cociente
d60/d10.
La granulometra se denomina:
Uniforme: Cuando el coeficiente de uniformidad es < 2. Variada o clasificada: Cuando el coeficiente de uniformidad es > 2.
Cuanto mayor es el coeficiente de uniformidad, mayor es la pendiente de la
curva acumulada.
Cuanto ms se aproxima el coeficiente a la unidad, mayor es la porosidad.
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D
D
D
D
n
n
n
n
=0,58 mm
=0,5 mm
=0,008 mm
=0,18 mm
urva ranu om trca
Dimetros (mm)1010,10,010,001
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
100
%Pasa
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Desde el punto de vista de las reservas de agua en el suelo, la gravfica (parte de la
porosidad total) solo es recuperable mediante extraccin (captacin). Esto se
introduce al concepto de porosidad eficaz (me), definida como la relacin existenteentre el volumen de agua drenable por gravedad (agua gravfica) o agua libre ( Ve), y
el volumen total de roca. En materiales con grandes intersticios, la porosidad eficaz se
aproxima a la total. Su expresin es:
me =V
Ve
T
POROSIDADTOTAL
POROSIDADEFICAZ
0,0010
10
20
30
40
50
0,01 0,1 1 10 100
POROSID
AD(%)
ARCILLA LIMO ARENA
TAMAO MEDIO DE LAS PARTICULAS (mm)
GRAVA BOLOS
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El agua de retencin est expresada por la capacidad de retencin especfica
del terreno (mr), definida por la relacin existente entre el volumen de aguaretenida por la roca (inicialmente saturada), una vez evacuada el aguagravfica. Se puede expresar mediante:
La porosidad eficaz no representa ms que una porcin de la porosidad total
(frecuentemente pequea); lo que permite incidir en el hecho de que las
reservas tiles de un material acufero, estn condicionadas por la porosidad
eficaz. Ambos valores pueden expresarse en porcentaje. De acuerdo con lo
anterior, la porosidad total de un material o depsito ser la suma de la
porosidad eficaz ms la porosidad de retencin:
mr =
V
Vr
T
mT e= m + m
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TABLA DE POROSIDADES TOTALESY EFICACES DE DIVERSOS MATERIALES
Fuente: Custodio y Llamas (1983).
MATERIALTipo
Rocas masivasGranito 0, 3 4 0, 2 9 0, 05 < 0,2 0,5 0,0 A
< 0,5 1 0,0 B< 0,5 1 0,0 B
< 0,5 2 0,0 A
< 5 20 0,0 C, E
< 5 20 0,0 D< 5 2 0,1 A5 10 1 C
10 20 0,0 F1 5 0,2 B3 20 0,515 35 5 E
20 30 1025 35 15
25 35 1015 30 510 20 2 E
2 10 0,0 E10 20 1 E
< 5 10 0,1 E
< 2 5 0,0 E
20 50 1 C,E
8 15 0, 5 20
60 5
30 0, 530 0, 5
5 10 20,5 5 0, 2
30 50 10
25 80 1085 90 502 5 0, 1
12 30 5
5 15 215 25 320 50 1010 30 1,525 40 20 45 1535 40 3030 40 25 40 20
85 30
45 55 4035 45 2025 35 1540 50 3545 60 4050 60 30
Caliza masiva
Doloma
Piroclastos y tobasEscorias
PumitasBasaltos densos, fonolitasBasaltos vacuolares
Pizarras sedimentarias
Areniscas
Creta blandaCaliza detrtica
AluvionesDunas
GravasLoess
ArenasDepsitos glaciares
LimosArcillas sin compactar
Suelos superiores
Rocas metamrficas
Rocas volcnicas
Rocas sedimentarias
Rocas sedimentarias
sueltas
consolidadas (verrocas masivas)
Descripcin Media Mxima Mxima Media
POROSIDAD TOTAL m (%)Normal Extraordinaria POROSIDAD EFICAZ m (%) OBSERV.
Mnima Mnima Mxima Mnimae
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Fuente: Tabla adaptada de Custodio y Llamas (1983).
Fuente: Tabla adaptada de Davis y Wiest
(1971).
MATERIALPOROSIDAD EFICAZ (%)
Mxima
Arcilla arenosa 12 3 7
28 10 21
35 20 27
32 15 26
35 20 25
31 21 25
26 13 23
26 12 22
Arcilla fina
Arena media
Arena gruesa
Arena con grava
Gravas finas
Gravas medias
Gravas gruesas
Mxima Media
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PERMEABILIDAD O CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA
La permeabilidad (k) se define como el caudal circulante, a travs de una seccinunitaria de acufero, bajo un gradiente a una temperatura fija o determinada. Tiene
dimensiones de velocidad (L/T) y surge como factor de proporcionalidad de la Ley de
Darcy. En general, suele expresarse en cm/so m/da.
q = k i.
QAh
I
i
k
Caudal circulante en unidades homogneas.Area de la seccin en unidades homogneas.Diferencia de carga hidrulica en unidadeshomogneas.Recorrido que debe realizar el agua en unidadeshomogneas.Gradiente hidrulico.Permeabilidad o conductividad hidrulica en unidadeshomogneas.
L
hKiKq
A
Q
-
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Los factores que condicionan la permeabilidad pueden ser:
Intrnsecos: Son caractersticos del acufero y dependen del tamao de losporos. A igualdad de condiciones, el medio que tenga mayor dimetro de
partculas, presentar mayor permeabilidad.
Extrnsecos: Su viscosidad y el peso especfico dependen de latemperatura.
Fuente: Bentez (1963), Custodio y Llamas (1983).
Permeabilidad(m/da).
10 10 10 10 10 10 10 10 10 1014 3 2 1 -1 -2 -3
Tipo de terreno. Grava limpia. Arena limpia, mezclade grava y arena.
Arena fina, arena arcillosa,mezcla de arena, limo y arcilla,
arcillas estratificadas.
Arcillas no meteorizadas.
Impermeables.
No drenan.Drenan mal.
Acuferos pobres.Buenos acuferos.
Drenan bien.Capacidad dedrenaje.
Calificacin.
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Fuente:Tabla adaptada de Custodio y Llamas (1983).
Fuente: Tabla adaptada de Davis y de Wiest (1971).
El factor de conversin es 864, el cual se ha redondeado a 1,000.
VALORES DE PERMEABILIDAD EN TERRENOS NATURALES.
-
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La transmisividad(Theis, 1935), se define como el caudal que se filtra a travs de unafranja vertical del terreno (de ancho unidad y de altura igual a la del manto
permeable, saturado bajo un gradiente unidad a temperatura fija). Sus dimensiones
son las de una velocidad por unidad de longitud. Generalmente, se expresa en
m2/da.
El producto de la permeabilidad por el espesor saturado es la transmisividad
designada por la letra T. A partir de la Ley de Darcy, se tiene:
QAL
T
bi
k
Caudal circulante en unidades homogneas.Area de la seccin en unidades homogneas.Longitud de acufero en unidades homogneas.
Transmisividad en unidades homogneas.
Espesor saturado (altura) en unidades homogneas.Gradiente hidrulico.
Permeabilidad o conductividad hidrulica en unidadeshomogneas.
A = b . L
Q = K . b . L . i
Q = T . L . i
T = k . b
TRANSMISIVIDAD
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El coeficiente de almacenamiento (S) es adimensional y se define como elvolumen del agua (que puede ser liberado por una seccin unitaria vertical del
acufero) y la altura igual a la del acufero saturado, si se produce un descenso
de la unidad del nivel piezomtrico o de la carga hidrulica.
El agua de un acufero proviene del mecanismo de drenaje, del vaciado de los
poros (agua gravfica en acuferos libres que coincidir con la porosidad eficaz),
o de los efectos elsticos del armazn fsico del mismo y de la elasticidad delagua (la nica forma de captacin de agua en un acufero cautivo).
Si se supone una columna de acufero de seccin unitaria y la altura total
saturada (b), al disminuir una unidad del nivel piezomtrico, se obtiene un
volumen de agua:
COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO
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Si el armazn de los granos de la arena es compresible (para un acufero
detrtico clsico) y alfa es su coeficiente de compresibilidad dinmica vertical, al
disminuir la presin del agua, este deber soportar el peso litosttico;
generando la reduccin de su porosidad por compresin. En este caso, el
coeficiente de almacenamiento S2ser:
De esto se deduce que, la cantidad total de agua extrada de un acufero ser:
my
b
Porosidad total del acufero.Peso especfico del agua en unidades homogneas.Espesor saturado (altura) en unidades homogneas.
Coeficiente de compresibilidad dinmica del agua enunidades homogneas.
Coeficiente de compresibilidad dinmica vertical enunidades homogneas.
S = m . y . b . 1
S = y . b . 2
S = S + S = y . b . (m. + )21
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En acuferos libres, el coeficiente de almacenamiento puede variar entre 0.05 y 0.3
(equivaldra a la porosidad eficaz); mientras que, el valor del coeficiente vara
generalmente entre 10-3a 10-5en acuferos confinados.
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Los acuferos se pueden clasificar en funcin a:
La presin hidrosttica del agua contenido en:
Acuferos libres, no confinados o freticos.
Acuferos confinados, cautivos o a presin.
Acuferos semiconfinados o semicautivos.
El tipo de materiales que constituyen el acufero:
Depsitos no consolidados de materiales sueltos.
Rocas sedimentarias consolidadas.
Rocas gneas y metamrficas.
2.1.2. TIPOS DE ACUIFEROS
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Acufero libre.IGME (2001).
Manantial.
Acufero libre.
Acuitardo.
Acuitardo.
Acufero confinado.
Acufero confinado.
Impermeable.
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AREA DE
RECARGA
LIBRE CONFINADOSEMICON-
FINADO(ARTESIANO SURGENTE)
Pozo surgente
CONFINADO SEMICONFINADO
Acufero colgado
MAR
Superficie
piezomtrica (B)
Superficie
piezomtrica (c)
Nivel fretico
Interfase
AGUA MARINA
ACUIFERO A
ACUIFERO B
PercolacinPercolacin
PercolacinACUIFERO C
IGME (1989).
Capa impermeable
Capa semipermeable
-
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Son aquellos en los que el lmite superior de la
masa de agua, forma una superficie real que
est en contacto con el aire de la zona no
saturada y; por tanto, a presin atmosfrica.
Cuando se alcanza el nivel fretico, se
mantiene en la profundidad de interseccin.
Principalmente, la recarga se produce por
infiltracin de la precipitacin, a travs del
suelo y la zona no saturada, o por infiltracin
de agua de ros o lagos.
ACUIFEROS LIBRES
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El agua se presenta con mayor presin que la atmosfrica en su lmite superior.
En este contexto, se comportan as materiales permeables que estn cubiertos
por una capa menos permeable.
Cuando se atraviesa el techo de los mismos, se observa un ascenso rpido del
nivel de agua, hasta estabilizarse en una determinada posicin.
A este fenmeno se le conoce como artesianismo. La captacin ser surgentecuando el nivel piezomtrico est situado a cota superior que la de la boca del
pozo o sondeo.
Principalmente, la recarga se produce por infiltracin de la precipitacin, a
travs de la zona en la que aflora la formacin acufera.
ACUIFEROS CONFINADOS O CAUTIVOS
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El muro, el techo o ambos no son
totalmente impermeables, sino que
permiten la circulacin vertical del agua
(caso particular de los acuferos cautivos).
Esta transferencia se realiza desde o hacia
el acuitardo, incluso puede variar con el
tiempo, dependiendo de los valores
relativos de los niveles piezomtricos.
Semiconfinado
Acufero colgado
Superficie
piezomtrica (B)
Superficie
piezomtrica (c)
Nivel fretico
Acufero A
Acufero B
Percolacin
Acufero C
ACUIFEROS SEMICONFINADOS
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Son formaciones geolgicas constituidas por la acumulacin de partculas transportadas por
gravedad, viento o hielo, tanto en el ambiente lacustre como en el marino.
Arenas y gravas de distinta gnesis geolgica:
Fluvial: Aluviales de ros o terrazas fluviales. Deltaico: Acumulaciones en la desembocadura de los ros.
Fluvio-deltaico: Zonas de transicin de los ambientes anteriores. Relleno: De fosas tectnicas y cuencas sedimentarias. Elica: Tipo dunas o loes. Morrenas: Acumulaciones detrticas de la ablacin de los glaciares.
Generalmente, presentan edades geolgicas recientes, con poca alteracin y consolidacin.
Asimismo, proporcionan elevados caudales, si se explotan racionalmente.
ACUIFEROS EN DEPOSITOS NO CONSOLIDADOS DEMATERIALES SUELTOS
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Son formaciones geolgicas que se consolidan debido a los procesos de
compactacin o diagnesis.
Segn su gnesis se clasifican en:
Detrtico: conglomerados, areniscas y arcillas. Qumico: calizas, dolomas y margas. Orgnico: carbones e hidrocarburos naturales.
Varan en densidad, porosidad y permeabilidad, dependiendo del ambiente
sedimentario de formacin.
Si no existen fenmenos de carstificacin y fisuracin-fracturacin, se
constituirn formaciones acuferas con menor permeabilidad.
ACUIFEROS EN ROCAS SEDIMENTARIAS CONSOLIDADAS
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Las rocas gneas son formaciones geolgicas, originadas por elenfriamiento y consolidacin de un magma.
Si se produce la consolidacin de dicho magma, se tendr lo
siguiente:
Intrusivas o plutnicas: En el interior de la corteza terrestre(ej., granitos y gabros).
Extrusivas o volcnicas: En la superficie (ej., basaltos, fonolitasy piroclastos).
Las rocas metamrficas se originan por transformaciones fsico-qumicas profundas, generando cambios importantes en la
estructura, como consecuencia de las variaciones de la presin, la
temperatura y la presencia de fluidos (ej., pizarras y esquistos).
ACUIFEROS EN ROCAS IGNEAS Y METAMORFICAS
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Las posibilidades de formar acuferos
en estas rocas, quedan reducidas a las
zonas de alteracin superficial o a las
fracturadas por diaclasas y fallas, las
cuales dan lugar a acuferos
importantes.
En el caso de las rocas volcnicas,
debido a la heterogeneidad de losmateriales presentes, el
comportamiento se evidencia entre las
rocas consolidadas porosas y las
fisuradas.
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El conocimiento de las caractersticas fsico-qumicas de las aguas subterrneas tiene
como finalidad, establecer relaciones entre la composicin, distribucin y circulacin
del agua en los acuferos; as como tambin, en la geologa, mineraloga y sistemas de
flujo de estos.
El agua es considerada una molcula qumica; as como tambin, es la
solucin/suspensin acuosa diluida que contiene compuestos orgnicos e
inorgnicos, los cuales constituyen los diversos tipos de ecosistemas acuticos.
El tipo de agua subterrnea depende de su composicin qumica y, a su vez, esta
presenta la incorporacin de los solutos a medida que interacciona con el medio. Por
tanto, la composicin qumica del agua en las diferentes partes del ciclo hidrolgico
es la resultante de los diferentes procesos modificadores (ej., fsicos, qumicos,
biolgicos y antrpicos).
2.2. CALIDAD DEL AGUA SUBTERRANEA
-
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Fuente: FCIHS (2009).
ContaminacinPolvo
Aerosol
ATMOSFERA
Lluvia
Infiltracin
Evaporacin
MARAGUAS SUPERFICIALES
Flujo subterrneo
ACUIFEROS
ZONA NO SATURADA
SUELO
Recarga
Aumento de MO, CO , microorganismosOxidacin de la MO, metabolitosDisolucin de sales y fertilizantesEvaporacin, precipitacin de mineralesEvapotranspiracin y absorcin por plantas
Evaporacin. MezclaDisolucin precipitacin
EvaporacinDisolucin de gases
Cambio inicoSorcin
Disolucin de evaporitas, carbonatos, silicatos, sulfuros,...Evaporacin, mezcla
Flujos profundos: ms T, Presin y mayor cintica.Aguas termales.
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Las caractersticas fsico-qumicas del agua subterrnea varan a lo largo de su
trnsito por el ciclo hidrolgico; por esta razn, para valorar esta incidencia, es
necesario cuantificar una serie de parmetros fsico-qumicos y
microbiolgicos de las aguas.
Los principales parmetros que se analizan con mayor frecuencia son:
Sustancias disueltas: aniones y cationes.
Alcalinidad.
Dureza.
Conductividad Elctrica (CE). Residuo seco (RS) y residuo total de sales disueltas (TDS).
Demanda Qumica de Oxgeno (DQO), Demanda Bioqumica de Oxgeno
(DBO) y materia orgnica (COT y COD).
pH y potencial REDOX (Eh).
Temperatura.
Microbiologa.
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Los componentes mayoritarios o fundamentales que se encuentran en las aguas
subterrneas son:
Aniones: Cl-, HCO3-, CO3
=, SO4=y NO3
-
Cationes: Na+, K+, Ca2+y Mg2+
Coloides: SiO2y H2SiO4
Elementos minoritarios: Representan menos del 1 % del TDS (normalmente, en
concentraciones entre 0.01 y 10 mg/l), destacando Fe2+, NO2-, F-, NH4
+, Sr2+.
Elementos minoritarios: Se encuentran en concentraciones entre 0,0001 y 0.1 mg/l,
destacando Br-, HS-, H2PO3-, I-, Fe3+, Mn2+, H+y Al3+.
Componentes traza: Generalmente, se encuentran en concentraciones inferiores a
0,0001 mg/l; sin embargo, pueden aparecer en concentraciones superiores, generando
problemas de potabilidad (esto es preocupante en la actividad minera). Entre estos
destacan As, Sb, Pb, Cu, Zn, Ba, V, Hg y U.
Se encuentran como gases disueltos: CO2, O2, N2, CH4y los gases nobles.
PRINCIPALES SUSTANCIAS QUE SE ENCUENTRAN
DISUELTAS
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Generalmente, los cientficos y los ingenieros no comunican por escrito las
actividades realizadas, debido a la falta de dedicacin a este menester; por es razn,
puede perderse informacin relevante.
La mayor parte de los estudios de importancia se realizan con ayuda del capital
pblico o privado (accionistas de empresas mineras o mixto), los cuales estn
orientados a un fin socioeconmico de carcter ambiental. En este sentido, la
sociedad ser la beneficiada porque se obtendr materia prima imprescindible para
su desarrollo y evolucin.
Para lograr satisfactoriamente los objetivos trazados, es necesario establecer unaserie de criterios generales o normas. Principalmente, estos deben englobar el
carcter tico y el tcnico-profesional.
2.3. NORMAS PARA LA REALIZACION DE UN ESTUDIO
HIDROGEOLOGICO EN MINERIANORMAS DE CARACTER ETICO
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El hidrogelogo deber transmitir, de manera eficaz, los conocimientos
adquiridos al mayor nmero de personas (rigor, precisin y capacidad de sntesis),
dado que los resultados obtenidos responden a un fin socioeconmico. Por
consiguiente, se conseguir el inters de ms personas acerca del estudio o
informe.
La redaccin de este garantiza la ptima interpretacin y conclusin; por lo
general, esto sucede cuando el profesional trabaja con mayor dedicacin. En este
campo, es difcil obtener grandes conclusiones debido a la falta de orden y a la
obtencin de datos.
Aplicacin de un cdigo deontolgico o de ptimas prcticas.
Una de las principales fuentes de prestigio en una institucin, empresa u
organizacin, es la presentacin de un informe de calidad.
NORMAS DE CARACTER ETICO
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Las principales normas de carcter tcnico-profesional hacen referencia a
las etapasde planificacin del estudio hidrogeolgico.
Definicin de objetivos y de medios necesarios o disponibles:econmicos, materiales y humanos.
Primer esquema o ndice provisional del estudio o informe: portadao cubierta, prlogo o prefacio, resumen, glosario de terminologa,
definiciones, conceptos y unidades, referencias a otros trabajos,
ndice o sumario, memoria, anejos, apndices y planos.
Finalizacin del primer borrador o documento de avance.
Supervisin del primer borrador o documento de avance. Finalizacindel texto, tablas, figuras definitivas y planos: documento
final (edicin y divulgacin).
NORMAS DE CARACTER TECNICO-PROFESIONAL
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1. Presentacin: Introduccin, objetivos y descripcin de la zona estudiada.
2. Marco geogrfico y econmico.
3. Climatologa e hidrologa: Generalidades, pluviometra, termometra,
evapotranspiracin, estudio de cauces y cuencas, estimacin de aportaciones
superficiales y subterrneas, y regulacin.
4. Geologa: Marco geolgico y descripcin de formaciones.
5. Hidrogeologa: Caractersticas hidrogeolgicas de los materiales, acuferos,
inventario de puntos de agua, piezometra, parmetros hidrogeolgicos y
hidrogeoqumica.
6. Monitorizacin del acuferos.
7. Balance hdrico.
8. Consumos y demandas (caudales ecolgicos).
9. Programa de medidas: previsiones y protocolos de actuacin.
10. Resumen, conclusiones y recomendaciones.
11. Bibliografa-anexos.
EJEMPLO DE INDICE PARA ESTUDIO HIDROGEOLOGICO
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La energa mecnica de un fluido se define por el trinomio de Bernouilli. En el caso de las
aguas subterrneas, se tiene que su velocidad es lenta (despreciable), originando el mismo
efecto en la energa cintica; en este caso, se deben considerar nicamente los trminos de
presin y posicin:
2.4. ECUACIONES Y PROCESOS FISICOS QUE GOBIERNAN
EL MOVIMIENTO DEL AGUA SUBTERRANEANIVEL PIEZOMETRICO
P
YZ
Y
g
Presin en unidades homogneas.
Peso especfico del fluido en unidades homogneas.Altura del punto en unidades homogneas.
Aceleracin de la gravedad en unidades homogneas.
Velocidad del fluido en ese punto en unidadeshomogneas.
E= + z +p v
y 2 . g
2 p
yE=
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Darcy experiment el flujo del agua a travs de un cilindro relleno de material poroso
conectado a dos depsitos, uno a la entrada y otro a la salida, ambos con diferente
nivel (el de la entrada ms alto que el de la salida). Asimismo, midi el caudal
circulante en funcin de la diferencia de alturas, comprobando que el caudal Q era
directamente proporcional a:
Seccin de paso S (a doble seccin y caudal).
Diferencia de alturas de agua entre los dos depsitos h.
Inverso de la longitud del medio poroso (a doble longitud y a mitad de caudal).
q = k . i = k .
q = - k . iq = k . i = k .
h
L
h = k. i
Q
L
Q
A
B
B
LEY DE DARCY
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El gradiente crece rpidamente a comparacin que la velocidad, llegando a ser
cuadrtico para velocidades extremadamente altas. Como el rgimen del flujo est
definido por el nmero de Reynolds (relacin entre las fuerzas de inercia y viscosas),
la Ley de Darcy es vlida si Re < 1 a 10 y Re < 4, garantizando un flujo ms o menos
laminar. Este es completamente turbulento para Re > 60 a 180.
En algunos casos, se puede presentar la Ley de Darcy como invlida:
En las proximidades de la rejilla de un pozo.
Si las fisuras tienen una abertura e > 1 mm, estas actan como conductos
de circulacin en medios fracturados; ocasionando flujos turbulentos.
v
d
p
Presin en unidades homogneas.
Densidad del fluido en unidades homogneas.
Tamao medio de las partculas (d )o, en el caso de terrenos fisurados,d = 2.e, siendo e el ancho de la fisura ( en unidades homogneas).
Viscosidad dinmica en unidades homogneas.
Re =v . d .
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En un medio heterogneo, el comportamiento del flujo depende de la
direccin del mismo. Este pasa por varias capas paralelas o
estratificadas formadas por materiales de diferente conductividad
hidrulica, en la misma direccin de la estratificacin. Cada estrato o
capa i tiene un determinado espesor biy permeabilidad Ki; sin embargo,todos estn sujetos a la misma prdida de carga h.
La cantidad total de agua que circula por toda la seccin, es la suma delas contribuciones de estos.
En ese caso, la conductividad hidrulica equivalente se calcula como la
media aritmtica de la permeabilidad de cada estrato, ponderada conlos espesores (los medios ms permeables condicionan el flujo delagua).
FLUJOS EN PARALELO A LA ESTRATIFICACION
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k
k
i
eq
h
Li
b
Conductividad hidrulica o permeabilidad de cada estrato o capa enunidades homogneas.
Conductividad hidrulica equivalente o permeabilidad equivalente decada estrato o capa en unidades homogneas.
Diferencia de alturas en unidades homogneas.Longitud del medio poroso atravesado en unidades homogneas.
Gradiente hidrulico (L/L).
Espesor de cada estrato o capa en unidades homogneas.
?h
MEDIO HETEROGENEO CON FLUJO PARALELO A LA ESTRATIFICCIONFuente: Adaptado de FCIHS (2009).
K1 b1
Ki bj
Kn bn
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En un medio heterogneo en serie, el flujo pasa de manera perpendicular a los
estratos o capas de diferentes conductividades hidrulicas (K i) y longitudes (Li), en
una nica seccin de paso S. En este caso, el caudal que cruza todas las capas es
nico, teniendo una prdida de carga distinta hi. La prdida de carga total ser la
suma de cada una de las prdidas parciales.
Por consiguiente, la conductividad hidrulica equivalente se calcula como la media
armnica de las permeabilidades de cada estrato ponderada con los espesores . Enestas circunstancias, la capa o estrato con menor permeabilidad condiciona la
permeabilidad equivalente del conjunto.
La conductividad hidrulica equivalente a un terreno heterogneo, es mayor en el
flujo paralelo a la heterogeneidad a comparacin del flujo perpendicular.
FLUJOS EN SERIE O PERPENDICULARES A LAESTRATIFICACION