Hidrología

Clase 15:HidrogeologíaDocente:

Ing. Giovanni Vargas Coca

EL AGUA EN LAS ROCASSe inicia aquí la fase subterránea del ciclo hidrológico, comenzado por clasificar las rocas por su capacidad para almacenar y transmitir el agua y por definir distintos acuíferos según la anergia que tiene al agua almacenada en sus poros.

Ley de Darcy, que caracteriza el movimiento del agua subterránea , y finalmente trata la zona no saturada como zona de paso de flujo del agua que constituye la recarga de los acuíferos.

“Regolito” término empleado para descubrir la cubierta suelta y discontinua de vestigios de roca descompuesta, que se extiende sobre el lecho de roca sólida o “bedrock”. El término “suelo” denomina a la parte más alta del regolito, donde la intemperización química es más activa. De aquí que el regolito incluya tanto la capa de suelo como el material suelto subyacente, que en regiones de clima templado alcanza hasta los 2 m de profundidad, mientras en regiones de clima húmedo los 70 o más, pudiendo actuar como un medio de almacenamiento de agua o también para transmitirla vertical y horizontalmente a lugares de almacenamiento sobre el lecho de roca. Después que el agua entra en el regolito se aloja en los ambientes mostrados en la Fig. 1.

Clasificación de las formaciones geológicas según su comportamiento hidrogeológico

Acuífero (del latín fero, llevar).- Formación geológica que contiene agua en cantidad apreciable y que permite que circule a través de ella con facilidad.Ejemplos: Arenas, gravas. También granito u otra roca compacta con una fracturación importante.

Clasificación de las formaciones geológicas según su comportamiento hidrogeológico

Acuicludo (del latín cludo, encerrar).- Formación geológica que contiene agua en cantidad apreciable y que no permite que el agua circule a través de ella .Ejemplo: Limos, arcillas. Un m3 de arcillas contiene mas agua que el mismo volumen de arenas, pero el agua esta atrapada, no puede salir por gravedad, y por tanto no podrá circular en el subsuelo ni en condiciones naturales ni hacia un pozo que esté bombeando.

Clasificación de las formaciones geológicas según su comportamiento hidrogeológico

Acuitardo (del latín tardo, retardar, impedir).- Formación geológica que contiene agua en cantidad apreciable pero que el agua circula a través de ella con dificultad.Evidentemente se trata de un concepto intermedio entre los dos anteriores.Ejemplos: Arenas arcillosas, areniscas, rocas compactas con alteración y/o fracturación moderadas.

Clasificación de las formaciones geológicas según su comportamiento hidrogeológico

Acuífugo (del latín fugo, rechazar, ahuyentar).- Formación geológica que no contiene agua porque no permite que circule a través de ella.Ejemplo: granito o esquisto inalterados y no fracturadosDe estas cuatro denominaciones, es la menos utilizada.

En una región sin mejores recursos, una formación que proporcionara 0,5 litros/seg. se denominaría “acuífero”, y su explotación sería interesante. En cambio, en una zona con buenos acuíferos, esa formación se denominaría “mal acuífero” o “acuífero pobre” o “acuitardo”, y probablemente una perforación con ese caudal se cerraría.

Parámetros que define a una roca como acuífero:De acuerdo con la definición de acuífero son dos los parámetros que permiten considerar a los acuíferos como verdaderos embalses subterráneos:Su capacidad de almacenar agua y su capacidad para permitir que le agua circule en su interior.

Capacidad de una roca de almacenar aguaLa capacidad de almacenar agua se mide a partir del coeficiente de almacenamiento, (S), que se define como el volumen de agua que proporciona una columna del acuífero de base unitaria y altura el espesor saturado del acuífero al descender en una unidad de potencial hidráulico.

Porosidad: TIPOS Porosidad Total

Porosidad Total (mt):mt = Volumen de huecos/ volumen total

Puede expresarse en % ó en tanto por 1 (en cualquier caso es adimensional). Es decir que 12% es equivalente a 0,12, pero dejando cómo se está expresando, porque también puede existir una porosidad del 0,12%

Porosidad: TIPOS Porosidad Eficaz

Porosidad Eficaz (me): (Volumen de poros interconectados entre si o no, con relación al volumen de la roca en %; será menor que la total, Solo seran equivalentes en el caso en el que todos los huecos estuviesen interconectados)

me = Volumen de agua drenada por gravedad/volumen totalSe expresa igual que la porosidad total.

Retención específica: Diferencia entre los dos parámetros anteriores.

Ejemplo 01:Disponemos de 1 m3 de arena seca, le introducimos agua hasta que esté completamente saturado (todos los poros llenos de agua). Supongamos que hemos necesitado 280 litros. Después dejamos que el agua contenida escurra libremente; supongamos que recogiéramos 160 litros. Evidentemente los 120 litros que faltan se han quedado mojando los granos.Con estos datos podemos calcular:1 m3 = 1000 dm3 ≈ 1000 litrosmt = 280 /1000 = 0,28 ≈ 28% (porosidad total )me = 160 / 1000 = 0,16 ≈ 16% (Porosidad Efectiva)Retención específica = 0,28 - 0,16 = 0,12 ≈ 12%

Ejemplo 02:¿Que volumen de agua puede extraerse por gravedad de 1m3 de material poroso, saturado al 20% y con una porosidad drenable del 8%?

Solución:Que le volumen en consideración esté saturado al 20% implica que el agua tan solo ocupa 0.2 m3. de ese volumen, el 8% corresponde al agua drenable por gravedad. El volumen total de agua será:V = 1m3 *0.2 * 0.08 = 0.016 m3 = 16 l.

Porosidad Intergranular y Porosidad por FracturaciónAl hablar de porosidad, intuitivamente se piensa en los poros de un material detrítico, pero las rocas compactas también pueden contener cierta proporción de agua en su interior en sus fracturas (diaclasas, fallas). Estos planos de fracturas a veces son ocluidos por los minerales arcillosos resultantes de la alteración, y en otras ocasiones, al contrario, la disolución hace aumentar la fractura enormemente (especialmente en calizas).

Porosidad Intergranular y Porosidad por Fracturación

FactoresEn el caso de la porosidad intergranular, la porosidad total no depende del tamaño de grano (piénsese que el % de huecos en el dibujo anterior sería el mismo si lo reprodujéramos ampliado o reducido). En cambio la porosidad eficaz sí se ve muy afectada por el tamaño de grano: si es más fino, la retención específica aumenta.Tanto la total como la eficaz dependen de:• La heterometría: los finos ocupan los poros que dejan los gruesos y la porosidad disminuye.

• La forma y disposición de los granos.• La compactación, cementación y recristalización, que van a ir disminuyendo la porosidad

La porosidad por fracturación está determinada por la historia tectónica de la zona y por la litología; es decir: cómo cada tipo de roca ha respondido a los esfuerzos, en este tipo de porosidad es determinante la posible, la eventual disolución de la fractura o, en sentido contrario, la colmatación por minerales arcillosos o precipitación de otros minerales.

Permeabilidad y Transmisividad

Permeabilidad: La facilidad que un cuerpo ofrece a ser atravesado por un fluido, en este caso el agua.En Hidrogeología, la permeabilidad (o mejor: conductividad hidráulica, K) es un concepto más preciso. Es la constante de proporcionalidad lineal entre el caudal y el gradiente hidráulico:

Caudal por unidad de sección = K . gradiente hidráulico

La gradiente es la pendiente de desplazamiento. Aquí obliga al agua a circular a través del medio poroso, y lógicamente, a mayor gradiente, circulará mayor caudal.

La ecuación anterior es la Ley de Darcy, para definir el concepto de permeabilidad y obtener sus unidades: despejando en la fórmula anterior se comprueba que las unidades de K son las de una velocidad (L/T). En el Sistema Internacional serían m/seg., pero para manejar números más cómodos, por tradición se continúa utilizando metros/día. En Geotecnia y otras ramas de ingeniería se utiliza el cm/seg.

Transmisividad

El parámetro que nos indique la facilidad del agua para circular horizontalmente por una formación geológica será una combinación de la permeabilidad y del espesor:

Transmisividad = Permeabilidad x EspesorComo las unidades de la permeabilidad son L/T y las del espesor L, las unidades de la Transmisividad serán L2/T. Por ejemplo: m2/día, o cm2/seg.

Tipos de Acuíferos: LibresEn los acuíferos libres el agua se encuentra rellenando los poros o fisuras por gravedad, igual que el agua de una piscina llena el recipiente que la contiene. La superficie hasta donde llega el agua se denomina superficie freática; cuando esta superficie es cortada por un pozo se habla del nivel freático en ese punto.En los acuíferos libres se habla de espesor saturado, que será menor o igual que el espesor del estrato o formación geológica correspondiente.

En los acuíferos confinados el agua se encuentra a presión, de modo que si extraemos agua de él, ningún poro se vacía, sólo disminuye la presión del agua y en menor medida la de la matriz sólida.Al disminuir la presión del agua, que colaboraba con la matriz sólida en la sustentación de todos los materiales suprayacentes, pueden llegar a producirse asentamientos y subsidencia del terreno.La superficie virtual formada por los puntos que alcanzaría el agua si se hicieran infinitas perforaciones en el acuífero, se denomina Superficie piezométrica, y en un punto concreto, en un pozo, se habla de nivel piezométrico (en griego: piezo = presión)• Cuando una perforación alcanza el techo de un acuífero confinado, el nivel del

agua dentro de la perforación puede subir varios metros.

Tipos de acuíferos: Confinados

Coeficiente de almacenamiento

Hemos visto que el volumen de agua que proporciona un acuífero libre se puede calcular mediante la porosidad eficaz. Pero este parámetro no nos sirve en el caso de los acuíferos confinados: cuando proporcionan agua, todos sus poros continúan saturados, sólo disminuye la presión, de modo que el dato de la porosidad eficaz no indica nada. Necesitamos un parámetro que indique el agua liberada al disminuir la presión en el acuífero.

Coeficiente de Almacenamiento (S)

• Es el volumen de agua liberado por una columna de base unidad y de altura todo el espesor del acuífero cuando el nivel piezométrico desciende una unidad.

• En la figura (a) se representa el concepto: en una columna de 1 m2 de acuífero, la superficie piezométrica ha descendido 1 metro al extraer un volumen S.

• Es evidente que el concepto de porosidad eficaz encaja perfectamente en la definición de coeficiente de almacenamiento (figura b): si consideramos 1 m2 de acuífero libre y hacemos descender 1 metro su superficie freática el volumen de agua que habremos extraído será la porosidad eficaz (me).

• El coeficiente de almacenamiento es, como la porosidad eficaz, adimensional (volumen / volumen), y los valores que presenta son mucho más bajos en los confinados perfectos que en los semiconfinados. Los valores típicos serían éstos:

Acuíferos libres: 0,3 a 0,01 (3.10-1 a 10-2)Acuíferos semiconfinados: 10-3 a 10-4

Acuíferos confinados: 10-4 a 10-5

• La naturaleza hidrogeológica de cualquier roca o formación geológica está definida por dos factores:

Geometria del sistema Cotas de la Base y del techo ( Para construcción ) Situación de los límites

k permeabilidad, T trasmisividad.kh/Kv anisotropía.

Características hidráulicas m, porosidad eficaz.( Para construcción ) S , coeficiente de almacenamiento.

B factor de goteo, c resistencia hidráulica. Inf, capacidad de infiltración.

Areas de recarga y descarga entre acuíferos

Funcionamiento Hidráulico Relaciones( Para construcción y ajuste ) con aguas superficiales

Condiciones en los límites

Infiltración lluvia (1) Balances generales.Pérdidas por evapotranspiración.

Acciones sobre el sistema Infiltración excedentes de riego.( En períodos de ajuste ) cursos de agua Q ó h

masas de agua Q ó h Recarga puntos de agua Q

otros acuíferos Q ó h

Respuesta a las acciones Superficies piezometricas( En períodos de ajuste ) Hidrogramas

Evolución bombeos y recargas.Evolución infiltración Lluvia.

Leyes hidrológicas Evolución infiltración excedentes de riego.( Para explotación ) Evolución rios y canales( Q, h, %/m2, % P ).

Evolución masas de agua.Evolución acuíferos vecinos.

( 1 ) En el campo y en el espacioQ = caudales, h = alturas%/m2 ( porcentaje del caudal por m2 )% P ( Porcentaje de la Pluviometría )

DATOS NECESARIOS PARA UN MODELO

OCEANO PACIFICO

Pte.Piedra

Cal lao

Independencia

La Molina

Chorrillos

S.Juan de Lurigancho

La Victoria

Surco Lince

ATE

San Miguel

P-395

P-181P-156

P-623

P-130

RIO LU

RIN

RIO R

IMAC

Lurin

Pachacamac

RIO CHILLON

P-310

P-306

P-375

P-235

P-439

P-516

P-502

P-521

P-219

P-423

P-620

Pz.-1

La Punta

El PinarC° Negro

C° Blanco

C° Cucaracha

C° Mulería

C° La Milla

Sector Villa

Cieneguilla

C° Oquendo

C° San CristóbalC° El Agustino

C° Centinela

M ORRO SOLAR

C° Manchado

P-296

P-01

P-Loayza

P-633

P-210

P-569

ESCALA GRAFICA:0 5000 m. 10 000 m.

C° Huaquerone

P-180

P-349 P-410

RED DE PIEZOMETROS DE LOS ACUIFEROS RIMAC Y CHILLON

CH

CH1

CH´

CALLAO LIMA

VITARTE

MIRAFLORES

CHORRILLOS0 5 10 km

CH

R

R1

R

R2

R3

R

Secciones hidrogeológicas

N

LEYENDA

L L2

CHCH2

CH

CH3

R

R'

Pachacámac

Lurín

LL3

L

L1

L2

L

MORROSOLAR

SAN MIGUEL

ELAGUSTINO

LA MOLINA

CARAPONGO

HUACHIPALURIGANCHOCERRO

MULERIA

COLLIQUE

PUENTE PIEDRA

CERROOQUENDO

Fdo.Las Palmas

José GalvesGuayabo

Cieneguilla

UBICACIÓN DE LAS SECCIONES HIDROGEOLOGICAS

PERFIL ESQUEMATICOSECCION HIDROGEOLOGICA LONGITUDINAL R-R'

DEL ACUIFERO RIMAC

Nivel Piezométrico: Marzo 98

Basamento rocoso

Código de Pozo SEDAPAL 270

LEYENDA

Material predominantemente grueso

Material predominantemente fino

El Agustino

579513

0

-100

-200

Cot

a m

.s.n

.m.

La P unta

B ellav is ta

51664 68

100

300

400

500

A te - V itarte

0 4

6 Km.

SECCION TRANSVERSAL R - R3Río R ím ac

566 5338711010572444239231132428250

459

MirafloresCallao

-100

-200

-300

-400

0

100

200

Cota

m.s.

n.m

.

0 4

3 K m .

SECCION HIDROGEOLOGICA

SAN MIGUELP-726

Base del Acuífero

Dirección del

Flujo Subterráneo

NMM

Superficie del terreno

Nivel de la Napa ( Marzo - 2000 )

Nivel de la Napa ( Marzo - 1997 )

P-240P-324 P-755

P-493P-623 P-624PUEBLO LIBRE

El elevamiento del Nivel de la Napa en el Sector de San Miguel, por efectos del Uso Conjuntivo, ha permitido contrarrestar el riesgo de intrusión marina

Distancia ( Km )

Nivel de la Napa ( Marzo 2005).

Red de Pozos y Manantiales - Ilo

P - 1P - 2P - 3P - 4 P - 5

P - 6P - 7P - 8P - 9

P - 10P - 11P - 12P - 13P - 14P - 15

P - 16P - 17

I - 1 I - 2 I - 3I - 4I - 5I - 6I - 7I - 8I - 9I - 10I - 11 I - 12

I - 13A - 1A - 2A - 3A - 4

A - 5A - 6A - 7A - 8A - 9A - 10A - 11A - 12

A - 13

A - 14

A - 15

A - 16

A - 17A - 18A - 19A - 20

A - 21A - 22A - 23

A - 24 A - 25A - 26

A - 27A - 28A - 29

A - 30

A - 31

A - 32

A - 33

A - 34

A - 35

A - 36

A - 37

A - 38

A - 39

A - 40

A - 41

A - 42

A - 43

A - 44

A - 45

A - 46

A - 47

A - 48

A - 49

A - 50

A - 51

A - 52

A - 53

A - 54

A - 55

A - 56

A - 57

A - 58

A - 59

A - 60

A - 61

A - 62

A - 63

A - 64A - 65A - 66

A - 67A - 68

A - 69

A - 70

A - 71A - 72

A - 73 A - 74

A - 75

A - 76A - 77

A - 78

Morfología del Acuífero Moquegua

Con la información topográfica y del impermeable, se tiene la morfología del acuífero

Prepararlo.Buscar en archivos.

Inventario Obtener datos de campo y en encuestas.Interpretar los datos y filtrarlos.Sintetizar los datos.

Inventario de :

pozos geologia escorrentíafuentes informes evaporaciónmanantiales topografía meteorologíagalerías pluviometría

aforos niveles de agua subterránea composición química del agua.caudales niveles de agua superficial. explotación

recargas en pozos y piezometros vertidosplanes de ordenación

SondeosDatos Pozos experimentalesComplementarios Período de observación.

Estaciones de aforo e hidrometeorología

El inventario ahorra mucho tiempo y dineroEl inventario es la única fuente de datos históricos.No encargar el inventario a inexpertos o a desidiosos.

OBTENCION DE DATOS PARA MODELO

Circulación del agua Subterránea

Intuitivamente, pensamos que el agua circula de los puntos donde está más alta hacia los puntos en los que está más baja, ya que así lo vemos en las aguas superficiales y muchas veces esta aproximación intuitiva es cierta. Por el contrario, es frecuente que el agua subterránea circule hacia arriba, o incluso verticalmente hacia arriba.

El agua subterránea no siempre circula de los puntos más altos hacia los más bajos.

Erosión (socavación) en puentes

Si realizamos unas perforaciones en el corte de la figura 1b veremos que la columna de agua a la izquierda es más alta que a la derecha (Figura 2), y análogamente, si disponemos de dos sondeos (abiertos solamente en sus extremos) arriba y abajo del acuitardo de la figura 1c, observamos que en el acuífero inferior el nivel del agua es más alto que en el acuífero superior.En ambos casos, el agua circula de los puntos en los que la columna de agua es más alta hacia aquellos en los que es más baja.

El agua circula de los puntos en que la columna de agua es más alta hacia los que la columna es más baja.

Potencial HidráulicoEn realidad, el agua se mueve de los puntos en los que tiene más energía hacia aquellos en los que tiene menor energía. Esa energía se denomina potencial hidráulico y veremos que queda reflejada precisamente por la altura de la columna de agua en ese punto.

GRACIAS