Hidrogeologia

HIDROGEOLOGIA

TALLER HIDRAULICA PROF.: JUAN PABLO SCHUSTER V.

Con relación a la capacidad para almacenar y transmitir aguas subterráneas, los terrenos pueden clasificarse en las siguientes tres categorías: a) Acuíferos: formaciones de gran porosidad y permeabilidad capaces de almacenar y transmitir agua en forma apreciable (ejemplo: arena). b) Acuífugos: formaciones de muy baja porosidad y muy baja permeabilidad, las cuales, en consecuencia, no almacenan ni transmiten aguas (ejemplo: rocas graníticas). c) Acuífijos: formaciones de alta porosidad y baja permeabilidad, susceptibles de almacenar grandes cantidades de agua, pero de muy difícil extracción por los métodos corrientes de explotación (ejemplo: arcillas). La gran mayoría de los acuíferos están contenidos en rellenos sedimentarios cuya permeabilidad o porosidad original no ha sido afectada por procesos posteriores que tiendan a cerrar los poros (cementación, compactación y metamorfismo). Un pequeño porcentaje de acuíferos aparece ligado a fracturas en rocas de cualquier tipo, cavidades de disolución enrocas calcáreas o bien aberturas producidas por escape de gas en lavas.

En general, los sedimentos precuaternarios se muestran impermeables y densos por lo que son de una importancia muy secundaria en relación con aguas subterráneas. Desde este punto de vista, las rocas pueden clasificarse en seis grandes grupos según el período geológico durante el cual se originaron y también según su capacidad para configurar acuíferos. Estos grupos son:

Grupo 6 Los sedimentos cuaternarios continentales contienen casi el total de los recursos de aguas subterráneas cuyo aprovechamiento resulta comercial en nuestro país. De acuerdo a sus condiciones de origen, pueden distinguirse los siguientes tipos: sedimentos fluviales, glaciales y asociados a glaciares cuaternarios. Por su relación con el agua subterránea, los dos primeros son especialmente importantes. Otros depósitos sedimentarios cuaternarios - Conos de rodados y depósitos fluviales torrenciales: semejantes a los típicamente fluviales aunque no tan redondeados, clasificación inferior, menor porosidad y menor permeabilidad. - Depósitos eólicos: desde el punto de vista del agua subterránea sólo tienen importancia las dunas (acumulaciones arenosas originadas por el viento). Las dunas costeras son altamente permeables y, por lo tanto, son atractivas desde el punto de vista de captaciones subterráneas, siempre que cuenten con recarga abundante. - Escombros de falda: son producto de la meteorización de las rocas. Estos materiales son de una importancia muy secundaria.

Potencial Hidráulico

El agua se mueve de los puntos en los que tiene más energía hacia aquellos en los que tiene menor energía. Esa energía queda reflejada precisamente por la altura de la columna de agua en ese punto. Efectivamente, puede demostrarse que la energía total por unidad de masa (potencial hidráulico, Φ) es igual a la altura de la columna de agua (h) multiplicada por la gravedad (g): Φ=h.g Dicha energía total será la suma de la energía potencial (debida a su posición en el espacio), la energía cinética (debida a su velocidad), la energía de presión (como la energía que almacena un muelle cuando está comprimido). La energía cinética en el flujo en canales abiertos es importante, pero la velocidad del agua subterránea es tan lenta que hace que sea despreciable al lado de las otras dos. En el esquema de la figura vemos que la energía total del fluido en el punto A (reflejada por la altura de la columna de agua, h) es la suma de la parte debida a la energía potencial (z) más la parte debida a la energía de la presión (w): h=z+w

Representación gráfica del flujo: Redes de flujo Una superficie equipotencial es el lugar geométrico de los puntos del espacio que tienen un mismo potencial hidráulico. Por tanto, el flujo se producirá perpendicularmente a las superficies equipotenciales, buscando el máximo gradiente, igual que una pelota rueda por una ladera perpendicularmente a las curvas de nivel buscando la máxima pendiente. Una red de flujo es una representación esquemática del flujo en un plano mediante líneas de flujo1 y líneas equipotenciales. Las líneas equipotenciales son la traza de las superficies equipotenciales al ser cortadas por el plano en que se dibuja la red de flujo. El flujo siempre es tridimensional, así que las redes de flujo, en un plano, pueden trazarse en un plano horizontal o en un corte vertical.

Gradiente de la Superficie Piezométrica En algunas ocasiones existe un número reducido de pozos en el área de estudio por lo que un mapa completo de la superficie piezométrica es muy difícil de obtener. Un caso típico de esta situación es un sitio de disposición final para residuos peligrosos, en los cuales se instala tres o cuatro pozos de monitoreo alrededor de él. En esos casos es muy fácil el obtener la dirección del flujo de agua subterránea a partir de las mediciones en cada uno de los pozos de monitoreo utilizando un método gráfico.

Mapas de Nivel Piezométrico

POROSIDAD DE LOS MATERIALES La porosidad de los materiales es el porcentaje de la roca o suelo que está compuesto de espacios vacíos. Su definición matemática es:

donde n es la porosidad (porcentaje), VV es el volumen de espacios en una unidad de suelo, y VT es el volumen de suelo usado como referencia para el análisis.

Experiencia de Darcy

Darcy encontró que el caudal que atravesaba el permeámetro era linealmente proporcional a la sección y al gradiente hidráulico Es decir: variando el caudal con el grifo y/o moviendo el depósito elevado, los niveles del agua en los tubos varía. Podemos probar también con permeámetros de distintos diámetros y midiendo la altura de la columna de agua en puntos más o menos próximos. Pues bien: cambiando todas la variables, siempre que utilicemos la misma arena, se cumple que:

Darcy encontró que utilizando otra arena (más gruesa o fina, o mezcla de gruesa y fina, etc.)y jugando de nuevo con todas las variables, se volvía a cumplir la ecuación anterior, pero que la constante de proporcionalidad lineal era otra distinta. Concluyó, por tanto, que esa constante era propia y característica de cada arena y la llamó permeabilidad (K). Actualmente, la Ley de Darcy se expresa de esta forma:

Sedimentos de grano grueso y no consolidado son los mejores productores de agua subterránea que existen en la naturaleza. Asimismo, arcillas son a menudo utilizadas en aplicaciones de ingeniería debido a su reducida permeabilidad intrínseca. Rangos típicos de permeabilidad intrínseca y conductividad hidráulica para distintos tipos de sedimentos no consolidados se presentan en la siguiente tabla:

Relación entre Tamaño Medio del Grano y la Conductividad Hidráulica

DESCARGA ESPECIFICA VERSUS VELOCIDAD DE POROS De acuerdo al desarrollo mostrado para la ley de Darcy esta proporciona una estimación de la velocidad del agua subterránea, la que comúnmente se conoce como descarga específica. Esta descarga específica corresponde al caudal que circula a través del medio poroso permeable dividido por el área total expuesta o perpendicular al escurrimiento. De acuerdo a lo indicado en la siguiente Figura, esta área incluye zonas ocupadas por material sólido y por poros, por lo cual la velocidad del agua calculada de esta manera no representa la velocidad media real dentro de un poro.

Si recordamos la definición de porosidad, podemos identificar rápidamente que la velocidad real del agua a través de los poros del acuífero quedará dada por la siguiente expresión:

donde K es la conductividad hidráulica, i es el gradiente hidráulico, n es la porosidad del suelo, y vR es la velocidad de poros o velocidad real.

Nivel Freático La configuración hidrogeológica más simple donde se encuentran condiciones saturadas y no saturadas es aquella en la cual se encuentra una zona no saturada cerca de la superficie del suelo y una zona saturada en profundidad. En general se asume que el nivel freático es la línea divisoria entre ambas zonas, lo que implica desconocer la existencia de una zona que se encuentra saturada debido a condiciones capilares, en las cuales el agua asciende a través de los pequeños poros de suelo debido a tensión superficial. El nivel freático se puede definir en forma simple como el lugar común de todas aquellas profundidades en las cuales la presión del fluido es igual a la presión atmosférica. En otras palabras, es aquella superficie en la cual la presión del fluido en los poros de un medio poroso es exactamente igual a la atmosférica. Un experimento imaginario puede servir para ilustrar la formación del nivel freático en un sistema acuífero real. Una caja de material plástico transparente se llena de arena. Una pequeña cuña es cortada en uno de los costados de esta caja, y la superficie de la arena es moldeada para simular un valle que drena hacia la cuña Un rociador muy fino es usado para esparcir agua en forma uniforme sobre la superficie de la arena y simular la existencia de lluvia sobre este sistema. La tasa de precipitación debe ser suficientemente pequeña para evitar la existencia de flujo superficial (es decir, toda el agua debe infiltrar). El agua infiltrada se moverá hacia el fondo de la caja produciendo una zona de saturación en el fondo. Si se continúa simulando precipitación sobre la zona el nivel freático se elevará hasta que el agua comience a salir por la zona de la cuña en el costado de la caja plástica.

1. Si no existe flujo subterráneo el nivel freático debiera ser horizontal. 2. Un nivel freático inclinado indica la existencia de un flujo de agua subterránea. 3. Zonas de descarga de agua subterránea se ubican en los sectores más bajos del terreno. 4. El nivel freático tiene la misma forma general que la superficie del terreno. 5. El agua subterránea generalmente fluye desde las zonas altas hacia los puntos bajos del terreno.

Un acuífero es una unidad geológica que puede almacenar y transmitir agua a tasas suficientes para satisfacer la extracción desde un pozo de bombeo. La permeabilidad intrínseca de un acuífero es en general igual o superior a 10-2 darcy. Arenas y gravas no consolidadas, arenillas, limos y dolomitas, basaltos, así como rocas metamórficas y plutónicas fracturadas son algunos ejemplos de unidades geológicas consideradas acuíferos. Un estrato confinante es una unidad geológica que tiene una muy baja permeabilidad intrínseca - menor a 10-2 darcy. Esta es una definición bastante arbitraria y depende de las condiciones locales de flujo. En áreas de arcilla, con permeabilidades del orden de10-4 darcy, un estrato de limo con una permeabilidad de 10-2 darcy puede ser considerado un excelente sistema acuífero. De la misma manera, ese estrato de limo puede ser considerado un estrato confinante en la cercanía de un lecho de grava con una permeabilidad del orden de 100 darcys o más. En general el agua subterránea se mueve a través de un estrato confinante pero a una tasa muy reducida. Los estratos confinantes son subdivididos en acuitardos y acuífugos. Un acuitardo es un estrato de baja permeabilidad que puede almacenar agua y transmitirla lentamente desde un acuífero a otro. Un acuífugo es una unidad absolutamente impermeable que no puede almacenar o transmitir agua. Un ejemplo típico de acuitardo es un material arcilloso, el cual tiene una alta porosidad pero muy baja permeabilidad. Por su parte, una roca sana se puede considerar como ejemplo de un acuífugo.

Los acuíferos pueden estar cerca de la superficie terrestre, con estratos continuos formados por materiales de alta permeabilidad intrínseca que se extienden desde la superficie del terreno hasta la base del acuífero. Este tipo de acuífero se conoce como un acuífero no confinado o libre. La recarga de este acuífero se produce debido a una infiltración vertical a través de la zona no saturada como se muestra en la Figura siguiente. La recarga también se puede producir a través de flujo subterráneo lateral o desde estratos inferiores.

Algunos acuíferos, llamados acuíferos confinados o artesianos, están cubiertos por un estrato confinante superior. La recarga de estos acuíferos puede ocurrir a través de una zona de recarga superior en la cual los estratos afloran a la superficie de terreno, o a través de una infiltración vertical muy lenta.

Tipos de captaciones Pozos excavados Para extraer agua del terreno se utilizan diversos tipos de captaciones. En la actualidad se excava con máquinas y en rocas duras con explosivos. Diámetro= 1 a 6 metros o más Profundidad= generalmente 5 a 20 metros.

Sondeos Son las captaciones más utilizadas en la actualidad. Los diámetros oscilan entre 20 y 60 cm. y la profundidad en la mayoría de los casos entre 30-40 m. y 300 o más. Si la construcción es correcta, se instala tubería ranurada sólo frente a los niveles acuíferos, el resto, tubería ciega.

Se denomina “desarrollo” a los trabajos posteriores a la perforación para aumentar el rendimiento de la captación, extrayendo la fracción más fina en materiales detríticos o disolviendo con ácido en calizas. Galerías Ya existían galerías para agua en Mesopotamia en el siglo IV a. C. Con una ligera pendiente, el agua sale al exterior por gravedad, sin bombeo. Se excavan igual que en minería. En Canarias es la captación más frecuente, generalmente con varios km de longitud. Drenes Similares a las galerías, pero son tubos de pequeño diámetro, perforados con máquina, normalmente hasta unas decenas de metros. Son más utilizados para estabilidad de laderas que para la utilización del agua.

Zanjas de drenaje

En acuíferos de muy poco espesor .Profundidad de 2 a 4 metros y longitudes de unas decenas a varios centenares de metros. Se excavan una o varias zanjas, que, siguiendo la pendiente topográfica, vierten a un pozo colector desde el que se bombea. Se utilizan tanto para explotación del agua subterránea poco profunda como para el drenaje necesario para la estabilidad de obras.

Cono de descensos

Esquema de un Pozo Profundo

Existen 3 métodos constructivos principales para la perforación de sondajes: i) Percusión ii) Rotación iii) Rotopercusión

Esquemas de Norias Entubadas y No Entubadas