agua subterranea i

8/17/2019 Agua Subterranea I

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Curso de Hidrología

Agua SubterráneaPor:

Sergio Velásquez

Mazariegos

v

elasquez.m.sergio

@gmail.com

2016

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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Mar R

Glaciar Agua Subterrán

Ojos que no ven… corazón que no siente – Refrán popular


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Importancia del Agua Subterrán


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Importancia del Agua Subterrán


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Definición

Agua subterránea es el agua que ocupa todos los vacíos dentro

geológico, comprende toda el agua que se encuentra por debajofreático. De gran importancia en lugares secos ya que el escurrimiento se reduce m

algunas épocas del año.

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

Infiltración es el proceso por el cual el agua penetra en las capasdel suelo.

Percolación es el movimiento del agua en las capas del subsuelo


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Hidrogeología

Es la parte de la hidrología que estudia la ocurrencia, movimientdel agua debajo de la superficie terrestre.

Su enfoque es interdisciplinario e involucra la aplicación de la fís

y matemáticas.


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Importante

Las aguas subterráneas forman parte del ciclo hidrológico.

• SISTEMAS DE AGUAS SUBTERRÁNEAS(SISTEMAS ACUÍFEROS)

SISTEMA


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Teoría de Sistemas

Definición de sis tema según Dooge (en Flemmig , 1972)

“ Cualquier estructura, dispositivo o procedimiento, real o abs

interrelaciona en un tiempo dado de referencia, una entrada , caus

(de materia, energía o información) y una sal ida , efecto o respuest

información energía o materia”.


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Teoría de Sistemas

El sistema comprende

– un conjunto de componentes físicos y geométricos,

– acciones exteriores al sistema (que actúan sobre él y lo mo

– leyes que modifican su funcionamiento


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El Acuífero como Sistema

Bajo este punto de vista,

El acuífero constituye un sis tema natural y real emedio físico está conformado por agua y roca

propias leyes de funcionamiento que ante

exteriores que definen la entrada neta al s is tem

natural o artificial, riegos, bombeos, evapotranspiradan lugar a diferentes estadios del sistema que con

respuesta o sal ida del mismo.


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El Acuífero como Sistema


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Continente=Geología


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Clasificación de las Rocas


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Ciclo de las Rocas


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Los Sedimentos


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Textura y Estructura


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Porosidad Total


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Constantes hidrogeológicas

Porosidad (m o η) Se define como la relación del volumen de huecos (vacíos) al

total del terreno que los contiene, es decir:

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

cementación, meteorización, etc.


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Porosidad Total

Porosidad (η)

Valores de porosidad• 80-90%: depósitos aluviales (deltas)

•


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Porosidad Eficaz

Es prácticamente igual a la Porosidad Drenable y en

muchos casos se utiliza como sinónimo


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

drenable, porosidad efectiva, producciónespecífica (para acuíferos libres) y coeficiente dealmacenamiento (solo para acuíferosconfinados).

Es la cantidad de agua que puede ser drenadade un volumen de suelo saturado por efecto dela gravedad, se expresa en porcentaje.

Retención Específica= Porosidad total-P


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Retención Específica (Sr)

Es la cantidad de agua retenida contra la gravedad p

fuerza de retención de los pequeño poros cuando la

agua es deprimida.

Su valor es complementario al de la porosidad drena

como tal es adimensional.


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Porosidad Total y Eficaz


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Geología del Sistema Acuífero

¿Cómo la conocemos?


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Sobre la base del análisis ytratamiento de información de: muestras de suelo y subsuelo

prospecciones

Se elaboran perfiles


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Y correlaciones….


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Y entonces….. será posible contar con una

caracterización más o menosajustada de las formacionesgeológicas que constituyen elsistema…

Esto quiere decir: definir la

ubicación espacial del techo, basey espesor de cada una de lasformaciones geológicas delsistema subterráneo,

….en otras palabras conocer suGEOMETRÍA


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Entrada: Ingreso de Agua al Siste

Infiltración-Percolación-Recarga

El Contenido


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El Contenido

Distribución del Agua en el Sue


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Distribución del agua en el subsuelo

Zona no saturada = humedad delsuelo (agua gravitacional o agua

vadosa Agua subterránea = zona saturada

Una cierta región por encima de latabla de agua por acción capilar, semantendrá frecuentemente con losporos llenos de agua, esta regiónes la llamada “orla o franja capilar ”.


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Distribución del agua en el subsuelo

Por encima de la tabla de

agua existe presión negativa(orla capilar)

-P cc =γ hcc

Por debajo de la tabla de agua

tenemos presiones positivas

P = γ D

D

hcc= carga capilar crítica

Comportamiento de las Formaciones Geológ


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Relación con el Contenido de Agua



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ADEMÁS …

La ub icac ión relativa de las formacio nes acuíferas en la cogeológica (y la presencia de agua) conforman los ACUÍFERO

Esto s acuíferos pueden clas ific arse en:

• l ibres ,

• semiconf inados y

• conf inados

en func ión de las diferentes presio nes de alojam ien

agua.


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Clasificación de los acuíferos

Acuífero: Parte saturada del perfil del suelo y que tiene

facilidad de almacenar y transmitir el agua. Formado pdel suelo.

Capas que conforman el suelo tienen poco espesor ensu extensión horizontal

Con fines hidrogeológicos las capas del suelo se clasifi

Permeables Semipermeables

Impermeables


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Acuífero libre: Un acuífero libre, llamado también

acuífero freático o capa freática, es unaformación permeable saturada limitadaen su parte inferior por una capaimpermeable.

El límite superior está formado por latabla de agua, la que se encuentra enequilibrio con la presión atmosférica.

El agua en un acuífero libre se llama

agua freática o libre.


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Acuífero confinado

Es una formación permeable

completamente saturada de agua y cuyoslímites superior e inferior son capasimpermeables.

En los acuíferos confinados, la presión delagua en ellos, es generalmente mayor quela atmosférica, por tal razón, el agua enpozos que penetran en tales acuíferospermanecen por encima del nivel superiorde las capas permeables.

El agua de un acuífero confinado sedenomina agua confinada o aguaartesiana.

El valor de K ́ es prácticamente nulo enrelación con el valor de K .

P>Patm

Cl if ió

d íf


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Clasifación de acuíferos

Cl ifi ió

d l íf


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Acuífero semiconfinado

Es una formación permeable saturada,

cuyo límite superior está constituido poruna capa semipermeable y cuyo límiteinferior puede ser una capaimpermeable o semipermeable.

La altura de la tabla de agua difiere amenudo de la de la carga piezométricay al agua confinada en la capapermeable.

En esos acuíferos para la obtención dela superficie piezométrica se utilizan lospiezómetros.

Debido a la diferencia en la cargahidráulica hay una componente del flujovertical que tiende a elevar o bajar lacapa freática.

El agua de un acuífero semiconfinado

se llama semiconfinada.

Cl ifi ió

d l íf


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Acuífero semilibre

Es una formación casisemiconfinada, en la cual laconductividad hidráulica de la capasemipermeable (grano fino) es tangrande que la componente horizontalde flujo de esta capa no puede serdespreciada.

Este tipo de acuífero es una forma

intermedia entre el tradicional,acuífero semiconfinado y el acuíferolibre.

Desde el punto de vista del valor deconductividad hidráulica K’ valor dela capa ligeramente semiconfinantees ligeramente menor que K delacuífero propiamente dicho.

Cl ifi ió d l íf


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Cómo se m e e el ag a en el s


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¿Cómo se mueve el agua en el su

Se necesita energía…

El agua se mueve de una mayor altura (car

hidráulica) de agua a una menor altura de a



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Movimiento

del agua en el suelo


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Movimiento del agua en el suelo

Movimiento



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Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o carga total ( φ) Se define como el trabajo necesario para mover una cantidad unitaria de a

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

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

Los potenciales son escalares no vectores, es decir, tienen solamente madirección.

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

Movimiento



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Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o

total ( φ) Tenemos 3 clases de energía:

• Potencial

• De presión hidrostática

• Cinética

Movimiento



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total ( φ) Energía total

Movimiento



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total ( φ) Cuando la cantidad unitaria de agua se toma como la unidad de peso:

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

8 5 Movimiento del agua en el sue


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8.5 Movimiento del agua en el sue


total ( φ) Considerando que bajo condiciones naturales la velo

flujo subterráneo es baja, nos queda:

Movimiento



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Potencial del agua en la zonasaturada La carga potencial o carga hidráulica

del agua de la zona saturada en unpunto A , es la elevación a la que elagua ascendería en un tubo abierto,cuyo extremo final coincidiera con elpunto en cuestión, midiéndose dichaelevación desde un plano de referenciaelegido arbitrariamente


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La Respuesta

Estado de Energía del Sistema

Estado del Sistema Acuífero en un Mo


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Dado A tr avés del análi s is de

una representación plana o

b i - dim ension al de lasup erf ic ie del agua

Su obtención requiere dela medición de unacantidad de puntosdiscretos que permitanaproximar elcomportamiento de unmedio naturalmentecont inuo



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Dado Georreferenciación de

puntos

Determinación de la cotade boca de pozos

Medición de la profundidaddel nivel de aguasubterránea



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Dado Determinación de niveles

de Agua

MAPA DE NIVELES

MAPAPOTENCIOMÉTRICO

MAPA PIEZOMÉTRICO

MAPA DE CURVAS

ISOFREÁTICAS MAPA DE CURVAS

EQUIPOTENCIALES


D d


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DadoMAPA DE NIVELES

Este mapa permite obtenerinformación de cargas oniveles piezométricos

Estimar gradienteshidráulicos y caudales

Definir la dirección y

sentido del escurrimientosubterráneo

REFLEJA O CUANTIFICA

LA RESPUESTA ALSISTEMA CONSIDERADO


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Leyes de Funcionamiento

Velocidad del Flujo en Medios Poroso


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j

Es variable en función del tamaño y orientación de lo

Se puede definir una velocidad media en una direccisi se considera un volumen medio suficientemente g

Usualmente se obtiene de dividir el caudal que pasa

superficie perpendicular al flujo por el área total, y se

denomina velocidad de flujo o velocidad aparente (v)



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j



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j

Leyes en Medio

Contínuo

(Macroscópic


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Las leyes que traten el medio como un continuo con propiedmedias definidas se basan en la consideración de tres parám

fundamentales: POROSIDAD

CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA

COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO

Relación macroscópica fundamental LEY DE DARCY

Constantes

hidrogeológicas


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Las más importantes son:

Conductividad hidráulica Porosidad drenable

Secundarios:

Transimisibilidad o Transmisividad

Resistencia vertical Factor de fuga

Constantes

hidrogeológicas


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

Es la velocidad de infiltración que se presenta en un medio saturado, cuagradiente 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 permeasolamente depende del medio poroso)

• En suelos salinos existen cambios en la K.

Constantes

hidrogeológicas


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Constantes

hidrogeológicas


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

espesor del acuífero, considerando el flujo básicamente horizontal.

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

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

Constantes

hidrogeológicas


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

acuíferos semiconfinados

Llamada la recíproca del factor fuga o drenancia

Se define como la relación del espesor saturado de la capa semipermeabconductividad hidráulica vertical de la misma K v́ , es decir:

Caracteriza la resistencia de la capa semiconfinante o la fuga o drenancia

hacia abajo desde el acuífero o hacia el acuífero. Dimensionalmente tiene la concepción de tiempo, y generalmente se expr

En el caso extremo de que el acuífero es confinado,

Constantes

hidrogeológicas


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Constantes

hidrogeológicas


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

del acuífero semiconfinado, es decir, determina el origen del aextraída de un pozo que alcanza el acuífero.

Altos valores de λ indican una gran resistencia al flujo del estrsemipermeable, en comparación con la resistencia del acuífepropiamente dicho. En tal caso la influencia de la fuga o drenatravés de la capa semiconfinante es bastante pequeña.

El factor λ tiene la dimensión de una longitud (L ) y es expresageneralmente en metros.

Constantes

hidrogeológicas


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Factor de fuga o

drenancia (λ)

Se representa como:

• Para un acuífero

semiconfinado simple:

8.4 Constantes hidrogeológicas


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Factor de fuga o drenancia (λ)

Para un acuífero semiconfinado doble

Definición de términos relacionados con el

permeable


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p

Suelo homogéneo:

Es aquel en el cual el estrato presenta las mismascaracterísticas físicas especialmente en textura y estdentro de los primeros 10 m de profundidad.

Suelo heterogéneo:

Es aquel en el cual el estrato varía en sus característ

físicas, presentándose estratificado dentro de los primm de profundidad.


permeable


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p

Suelo isotrópico:

Es aquel en el cual la conductividad hidráulica es la misma pa

dirección de flujo, en este caso la conductividad hidráulica ho

igual a la vertical, es decir: KH = KV .

Suelo anisotrópico:

Es aquel en el cual la conductividad hidráulica cambia según

de flujo, en este caso la conductividad hidráulica horizontal es

la vertical, es decir KH ≠ KV .


permeable


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p

Suelo isotrópico homogéneo:

Es aquel en el cual la conductividad hidráulica de lostiene el mismo valor en cualquier punto del acuífero yindependiente de la dirección de flujo.

Suelo anisotrópico homogéneo:

Es aquel en el cual la conductividad hidráulica en undirección, tiene el mismo valor en cualquier punto de


permeable


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p

Ley de

Darcy


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Ley de Darcy Describe el movimiento del agua de la zona

saturada a través del suelo.

Caudal que fluye a través de un medioporoso por unidad de tiempo (Q) esproporcional a la sección transversal A, a ladiferencia entre cargas del fluido ∆φ en lassuperficies de entrada y de salida de lamuestra, es decir la pérdida de carga ∆φ =φ1 - φ2 , e inversamente proporcional a lalongitud de la trayectoria del flujo.

Flujo específico o descarga específica:

• q=Q/A (m3/día/m2)

Ley de

Darcy


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Ley de Darcy

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

Velocidad real:

η es siempre menor que 1

Movimiento



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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 entreesos dos puntos

Es adimensional.

No confundir el gradiente hidráulico con lapendiente

Aplicando el concepto del gradientehidráulico, las ecuaciones de la Ley deDarcy, se pueden expresar como:

Movimiento


Ejemplo 1


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Calcular el gradiente hidráulico de la figura

Movimiento


Ejemplo 1: Solución


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De la ecuación (8.5), se tiene:

Del gráfico:

Φ1= h+L y φ2 = 0

luego:

Movimiento




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Calcular el gradiente hidráulico de la fig

Movimiento




87/109

Del gráfico:

Φ1= H+Z1 y φ2 = (H-h)+Z2

Siendo Z 1 = Z 2 , se tiene:

Φ1- φ2=(H+Z1)-(H-h+ Z2)

Φ1- φ2=h

luego

i = h/L

Movimiento


Ejemplo 3: Para que lo hagan….


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Calcular la conductividad hidráulica

del suelo (en m/día) puesto en el

permeámetro cilíndrico de la figuracuyo 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


89/109

¿PARA QUÉ NOS INTERESA CONOCER L

CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICASFORMACIONALES DEL SISTEMA ACUÍFE

Característic as o Parámetros h id ro geo lóg

T, S, m y me)


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caracterizar unidades hidrogeológicas

estudiar aspectos relacionados con la velocidad de escurrimiento

recarga, la vulnerabilidad del medio a la acción contaminante estimar la infiltración

diseñar instalaciones de drenaje


T, S, m y me)


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T, S, m y me)


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93/109

La Cuenca Hidrológica o

Hidrogeológica

Definic iones


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CUENCA HIDROGRÁFICA : superficie

total drenada por un río y sus afluentesaguas arriba (o lo que es igual, lacuenca topográfica). Queda definidapor la línea de crestas (divisoria deaguas superficiales).

CUENCA HIDROGEOLÓGICA : serefiere a la cuenca de aguassubterráneas, que puede no coincidircon la cuenca topográfica. Quedadefinida por la divisoria de lossistemas de flujos subterráneos.

Los Flujo s de Agua Sub terránea


95/109

Recarga Natu ral y A rt i f ic ial


96/109

Descarga Natural


97/109

La descarga de agua subterráneapuede ocurrir naturalmente enambientes diversos: Fluviales

Lacustres

Costeros (marítimos)

Descarga A rt i f ic ial

-

Bombeos


98/109

Relación Carga

-

Descarga


99/109

Relación Carga

-

Descarga


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Relación Carga

-

Descarga


101/109

Necesidad de Evaluación de las Reserv

Agua Subter ránea


102/109

Regimen

Permanente y Transi to r io


103/109

Régimen permanente

–No hay cambios en el tiempo y no haycambios en el almacenamiento

Régimen transitorio

–Hay cambios en el tiempo (flujo, caudales),

entonces hay cambios en el almacenamiento

Variación de los n iveles de agua sub ter


104/109

Variación de los n iveles de agua sub ter


105/109

Impactos de la extracción excesiva en z

costeras


106/109


t ierra adentro


107/109


t ierra adentro


108/109

“Para reflexionar…….


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Una gota de agua vale más que un sa

para un hombre sediento.-Autor desc

Nunca reconoceremos el valor del ag

que el pozo este seco.-Thomas Fuller

El agua de gran calidad es más que e

los conservacionistas, más que un es

el agua de gran calidad, en su cantida

lugar, es esencial para la salud, recre

crecimiento económico.-Edmund S. M

agua subterranea i

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