Curso de HidrologíaAgua Subterránea Por: Sergio Velásquez Mazariegos [email protected] 2011 8.1 Definición Agua subterránea es el agua que ocupa todos los vacíos dentro del estrato geológico, comprende toda el agua que se encuentra por debajo del nivel freático. De gran importancia en lugares secos ya que el escurrimiento se reduce mucho en algunas épocas del año. Proviene de la infiltración directa en el terreno de las lluvias o nieves, o indirectas de ríos o lagos. Infiltración es el proceso por el cual el agua penetra en las capas superiores del suelo. Percolación es el movimiento del agua en las capas del subsuelo. 8.1 Definición Corriente influente y efluente 8.2 Distribución del agua en el subsuelo Presión Atm=Presión hidrostática Nivel de equilibrio • • • • • • Superficie freática Tabla de agua sub. Nivel freático Nivel de agua sub. Superficie libre Capa freática 2 Distribución del agua en el subsuelo Zona no saturada = humedad del suelo (agua gravitacional o agua vadosa Agua subterránea = zona saturada Una cierta región por encima de la tabla de agua por acción capilar. .8. se mantendrá frecuentemente con los poros llenos de agua. esta región es la llamada “orla o franja capilar”. 8.2 Distribución del agua en el subsuelo Por encima de la tabla de agua existe presión negativa (orla capilar) -Pcc=γhcc Por debajo de la tabla de agua tenemos presiones positivas D P = γD hcc= carga capilar crítica . 8. Formado por capas del suelo. Capas que conforman el suelo tienen poco espesor en relación a su extensión horizontal Con fines hidrogeológicos las capas del suelo se clasifican en: Permeables Semipermeables Impermeables .3 Clasificación de los acuíferos Acuífero: Parte saturada del perfil del suelo y que tiene la facilidad de almacenar y transmitir el agua. . al menos màs favorables que la de los estratos superiores o inferiores La resistencia al flujo vertical es pequeña y puede ser generalmente despreciada de forma que únicamente deben tenerse en cuenta las pérdidas de energía causadas por el flujo horizontal.3 Clasificación de los acuíferos Capa permeable: Sus propiedades transmisoras de agua son favorables o.8. 3 Clasificación de los acuíferos Capa semipermeable: Sus propiedades transmisoras de a agua son relativamente desfavorables. pero el flujo vertical no puede despreciarse ya que la resistencia hidráulica del flujo es pequeña debido al espesor relativamente pequeño de las capas. El flujo de agua en las capas semipermeables se considera esencialmente vertical.8. El flujo horizontal a lo largo de una distancia significativa es despreciable. . cementación y otros procesos de consolidación.8. . Capas completamente impermeables son poco frecuentes cerca de la superficie del suelo.3 Clasificación de los acuíferos Capa impermeable: Sus propiedades transmisoras de agua son tan desfavorables que solamente fluyen a través de ella. cantidades de agua despreciables. donde han tenido lugar la compactación. pero son comunes a mayores profundidades. sea vertical u horizontal. 8. Tipos de Acuífero Libre Confinado Semiconfinado Semilibre .3 Clasificación de los acuíferos Las capas que contienen agua subterránea se combinan para formar “acuíferos”. . llamado también acuífero freático o capa freática.8. la que se encuentra en equilibrio con la presión atmosférica. El límite superior está formado por la tabla de agua.3 Clasificación de los acuíferos Acuífero libre: Un acuífero libre. El agua en un acuífero libre se llama agua freática o libre. es una formación permeable saturada limitada en su parte inferior por una capa impermeable. por tal razón. K' P>Pat m K K' . En los acuíferos confinados. es generalmente mayor que la atmosférica.8. la presión del agua en ellos. El valor de K´ es prácticamente nulo en relación con el valor de K. El agua de un acuífero confinado se denomina agua confinada o agua artesiana. el agua en pozos que penetran en tales acuíferos permanecen por encima del nivel superior de las capas permeables.3 Clasificación de los acuíferos Acuífero confinado Es una formación permeable completamente saturada de agua y cuyos límites superior e inferior son capas impermeables. 8. cuyo límite superior está constituido por una capa semipermeable y cuyo límite inferior puede ser una capa impermeable o semipermeable. Debido a la diferencia en la carga hidráulica hay una componente del flujo vertical que tiende a elevar o bajar la capa freática. En esos acuíferos para la obtención de la superficie piezométrica se utilizan los piezómetros. El agua de un acuífero semiconfinado se llama semiconfinada. La altura de la tabla de agua difiere a menudo de la de la carga piezométrica y al agua confinada en la capa permeable.3 Clasificación de los acuíferos Acuífero semiconfinado Es una formación permeable saturada. . 3 Clasificación de los acuíferos .8. genera un flujo vertical de agua de las capas semiconfinantes vecinas hacia el mismo o viceversa. En forma general.3 Clasificación de los acuíferos La dimensión de la carga piezométrica (φ) en un acuífero. el movimiento del flujo de agua siempre se realiza de uno de mayor carga piezométrica a otro de menor carga. Para la determinación del movimiento se deben instalar piezómetros tanto en la capa superior e inferior del acuífero.8. . acuífero semiconfinado y el acuífero libre.8. en la cual la conductividad hidráulica de la capa semipermeable (grano fino) es tan grande que la componente horizontal de flujo de esta capa no puede ser despreciada. .3 Clasificación de los acuíferos Acuífero semilibre Es una formación casi semiconfinada. Este tipo de acuífero es unaforma intermedia entre el tradicional. Desde el punto de vista del valor de conductividad hidráulica K’ valor de la capa ligeramente semiconfinante es ligeramente menor que K del acuífero propiamente dicho. 4 Constantes hidrogeológicas Las más importantes son: Conductividad hidráulica Porosidad drenable Secundarios: Transimisibilidad Resistencia vertical Factor de fuga .8. . cuando la gradiente hidráulica es igual a la unidad: Unidades son m/día o cm/hora (no confundir con velocidad) Depende del fluido (viscosidad y densidad) y del medio poroso (la permeabilidad solamente depende del medio poroso) • En suelos salinos existen cambios en la K.8. Es la velocidad de infiltración que se presenta en un medio saturado.4 Constantes hidrogeológicas Conductividad hidráulica (K) Define la capacidad del medio poroso de transmitir al agua a través de si mismo. 8. La transmisividad y la conductividad hidráulica son los dos parámetros que definen la capacidad de transmitir agua en los acuíferos. Si la formación acuífera es de naturaleza estratificada. considerando el flujo básicamente horizontal. en donde los valores de la conductividad hidráulica no son constantes a lo largo del eje vertical y muestran variación. la transmisividad T es expresada por: .4 Constantes hidrogeológicas Transmisividad (T) La transmisividad o transmisibilidad es el producto de la conductividad hidráulica por el espesor del acuífero. . meteorización. etc. es decir: Depende de: • Naturaleza fisicoquímica del terreno.8. granulometría de sus componentes.4 Constantes hidrogeológicas Porosidad (η) Se define como la relación del volumen de huecos (vacíos) al volumen total del terreno que los contiene. grado de cementación. 4 Constantes hidrogeológicas Porosidad (η) Valores de porosidad • 80-90%: depósitos aluviales (deltas) • <1%: roca compactan • 5-40%: material suelto de acuíferos Porosidad pequeña: <5% Porosidad media: 5-20% Porosidad grande: >20% .8. . Es la cantidad de agua que puede ser drenada de un volumen de suelo saturado por efecto de la gravedad cuando la tabla de agua es deprimida. se expresa en porcentaje. espacio poroso drenable. producción específica (para acuíferos libres) y coeficiente de almacenamiento (solo para acuíferos confinados).8. porosidad efectiva.4 Constantes hidrogeológicas Porosidad drenable (S) Sinónimos: porosidad drenable. 4 Constantes hidrogeológicas Retención Específica (Sr) Es la cantidad de agua retenida contra la gravedad por la fuerza de retención de los pequeño poros cuando la tabla de agua es deprimida.8. . Su valor es complementario al de la porosidad drenable y como tal es adimensional. Dimensionalmente tiene la concepción de tiempo. 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. . 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. y generalmente se expresa en días.8. En el caso extremo de que el acuífero es confinado.4 Constantes hidrogeológicas Resistencia hidráulica o Resistencia vertical (C) Es la resistencia que se opone al flujo vertical. 4 Constantes hidrogeológicas Factor de fuga o drenancia (λ) El factor de fuga. Altos valores de λ indican una gran resistencia al flujo del estrato semipermeable. . En tal caso la influencia de la fuga o drenancia a través de la capa semiconfinante es bastante pequeña.8. determina la distribución de la fuga o drenancia dentro del acuífero semiconfinado. El factor λ tiene la dimensión de una longitud (L) y es expresada generalmente en metros. en comparación con la resistencia del acuífero propiamente dicho. determina el origen del agua extraída de un pozo que alcanza el acuífero. es decir. 8.4 Constantes hidrogeológicas Factor de fuga o drenancia (λ) Se representa como: • Para un acuífero semiconfinado simple: . 4 Constantes hidrogeológicas Factor de fuga o drenancia ( λ) Para un acuífero semiconfinado doble .8. . Suelo heterogéneo: Es aquel en el cual el estrato varía en sus características físicas. dentro de los primeros 10 m de profundidad. presentándose estratificado dentro de los primeros 10 m de profundidad.Definición de términos relacionados con el medio permeable Suelo homogéneo: Es aquel en el cual el estrato presenta las mismas características físicas especialmente en textura y estructura. Definición de términos relacionados con el medio permeable Suelo isotrópico: Es aquel en el cual la conductividad hidráulica es la misma para cualquier dirección de flujo. . Suelo anisotrópico: Es aquel en el cual la conductividad hidráulica cambia según la dirección de flujo. es decir: KH = KV. en este caso la conductividad hidráulica horizontal es diferente a la vertical. es decir KH ≠ KV. en este caso la conductividad hidráulica horizontal es igual a la vertical. tiene el mismo valor en cualquier punto del acuífero y es independiente de la dirección de flujo. Suelo anisotrópico homogéneo: Es aquel en el cual la conductividad hidráulica en una cierta dirección. .Definición de términos relacionados con el medio permeable Suelo isotrópico homogéneo: Es aquel en el cual la conductividad hidráulica de los suelos. tiene el mismo valor en cualquier punto del acuífero. es decir.5 Movimiento del agua en el suelo Potencial. en las que trabaja solo un fluido. tienen solamente magnitud y no dirección. es decir: . por unidad de masa o por unidad de peso. El trabajo o energía en general. se expresa la energía por unidad de peso. carga hidraúlica. viene representado por el producto de una fuerza por una distancia en el sentido del movimiento. En las prácticas comunes de ingeniería. tal es el caso del agua dulce. La expresión de la energía que causa el movimiento se puede dar por unidad de volumen (para fluidos). Los potenciales son escalares no vectores.8. carga piezométrica o carga total ( φ) Se define como el trabajo necesario para mover una cantidad unitaria de agua. viene representado por el producto de una fuerza por una distancia en el sentido del movimiento. La expresión de la energía que causa el movimiento se puede dar por unidad de volumen (para fluidos). en las que trabaja solo un fluido. tienen solamente magnitud y no dirección. tal es el caso del agua dulce. se expresa la energía por unidad de peso.5 Movimiento del agua en el suelo Potencial. carga hidraúlica. En las prácticas comunes de ingeniería. es decir.8. carga piezométrica o carga total ( φ) Se define como el trabajo necesario para mover una cantidad unitaria de agua. Los potenciales son escalares no vectores. El trabajo o energía en general. es decir: . por unidad de masa o por unidad de peso. carga piezométrica o carga total ( φ) Tenemos 3 clases de energía: • Potencial • De presión hidrostática • Cinética .5 Movimiento del agua en el suelo Potencial. carga hidraúlica.8. 8. carga hidraúlica.5 Movimiento del agua en el suelo Potencial. carga piezométrica o carga total ( φ) Energía total . carga hidraúlica.8. carga piezométrica o carga total ( φ) Cuando la cantidad unitaria de agua se toma como la unidad de peso: La ecuación (8. es la forma más conocida de la ecuación de Bernoulli. .5 Movimiento del agua en el suelo Potencial.3). carga piezométrica o carga total ( φ) Considerando que bajo condiciones naturales la velocidad del flujo subterráneo es baja. carga hidraúlica. nos queda: .5 Movimiento del agua en el suelo Potencial.8. cuyo extremo final coincidiera con el punto en cuestión. es la elevación a la que el agua ascendería en un tubo abierto.5 Movimiento del agua en el suelo Potencial del agua en la zona saturada La carga potencial o carga hidráulica del agua de la zona saturada en un punto A. midiéndose dicha elevación desde un plano de referencia elegido arbitrariamente .8. e inversamente proporcional a la longitud de la trayectoria del flujo. Flujo específico o descarga específica: • q=Q/A (m3/día/m2) .5 Movimiento del agua en el suelo Ley 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. es decir la pérdida de carga ∆φ = φ1 .8.φ2. a la diferencia entre cargas del fluido ∆φ en las superficies de entrada y de salida de la muestra. 8.6 se tiene: Velocidad real: η es siempre menor que 1 .5 Movimiento del agua en el suelo Ley de Darcy Velocidad aparente: • v=Q/A. entonces de la ecuación 8. 5 Movimiento del agua en el suelo 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. las ecuaciones de la Ley de Darcy. se pueden expresar como: .8. No confundir el gradiente hidráulico con la pendiente Aplicando el concepto del gradiente hidráulico. 5 Movimiento del agua en el suelo Ejemplo 1 Calcular el gradiente hidráulico de la figura .8. 5). se tiene: Del gráfico: Φ1= h+L y φ2 = 0 luego: .5 Movimiento del agua en el suelo Ejemplo 1: Solución De la ecuación (8.8. 8.5 Movimiento del agua en el suelo Ejemplo 2: Solución Calcular el gradiente hidráulico de la figura . 5 Movimiento del agua en el suelo Ejemplo 2: Solución Del gráfico: Siendo Z1 = Z2.φ2=h luego i = h/L .8. se tiene: Φ1= H+Z1 y φ2 = (H-h) +Z2 Φ1.φ2=(H+Z1)-(H-h+ Z2 ) Φ1. 6 cm Q = 60 cm3/hr . Calcular la conductividad hidráulica del suelo (en m/día) puesto en el permeámetro cilíndrico de la figura cuyo diámetro es 8 cm.8. 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.5 Movimiento del agua en el suelo Ejemplo 3: Para que lo hagan….