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ConceptosFundamentalesdeHidrogeologaClasificacindelasformacionesgeolgicassegnsu

comportamientohidrogeolgicoAcufero[aquifer]1(dellatnfero,llevar).Formacingeolgicaquecontieneaguaen

cantidadapreciableyquepermitequecirculeatravsdeellaconfacilidad.Ejemplos:Arenas,gravas.Tambingranitouotrarocacompactaconunafracturacin

importante.

Acuicludo[aquiclude](dellatncludo,encerrar).Formacingeolgicaquecontieneaguaencantidadapreciableyquenopermitequeelaguacirculeatravsdeella.

Ejemplo:Limos,arcillas.Unm3dearcillascontienemasaguaqueelmismovolumendearenas,peroelaguaestaatrapada,nopuedesalirporgravedad,yportantonopodrcircularenelsubsueloniencondicionesnaturalesnihaciaunpozoqueestbombeando.Acuitardo[aquitard](dellatntardo,retardar,impedir).Formacingeolgicaque

contieneaguaencantidadapreciableperoqueelaguacirculaatravsdeellacondificultad.Evidentementesetratadeunconceptointermedioentrelosdosanteriores.Ejemplos:Arenasarcillosas,areniscas,rocascompactasconalteraciny/ofracturacin

moderadas.Acufugo[aquifuge](dellatnfugo,rechazar,ahuyentar).Formacingeolgicaqueno

contieneaguaporquenopermitequecirculeatravsdeella.Ejemplo:granitooesquistoinalteradosynofracturados.Deestascuatrodenominaciones,eslamenosutilizada.Nosetratadedefinicionesensentidoestricto,yaquenotienenunoslmitesprecisosque

permitandelimitarsiunaformacinconcretaseincluyeonoenladefinicin,perosontrminosutilizadosconstantementeenlabibliografahidrogeolgica(elprimerodeellosusadoenellenguajecomn)

Enunareginsinmejoresrecursos,unaformacindelaqueunacaptacinpudieraextraer0,5litros/seg.sedenominaraacufero,ysuexplotacinserainteresante.Encambio,enunazonaconbuenosacuferos,esaformacinsedenominaramalacuferooacuferopobreoacuitardo,yprobablementeunaperforacinconesecaudalsecerrara.

Unidadhidrogeolgicaesunconjuntodeformacionesgeolgicasdecaractersticashidrogeolgicassimilares,cuyofuncionamientoconvieneconsiderarconjuntamente.

Avecessehabladeunsistemahidrogeolgico,comoelconjuntodeformacionesgeolgicas(unoovariosacuferosyquizacuitardosoacuicludos)quepuedenconsiderarseagrupados,demodoquesufuncionamiento(entradas,salidas,balance)hayqueestudiarlodeunmodoconjunto.

1Alolargodetodoeltemaseindicaelnombreeninglsentrecorchetes[]

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Porosidad:tiposPorosidadtotalyeficaz

Porosidadtotal[porosity](mt):mt=Volumendehuecos/volumentotal

Puedeexpresarseen%oentantopor1(encualquiercasoesadimensional).Esdecirque28%esequivalentea0,28,perodejandoclarocmoseestexpresando,porquetambinpuedeexistirunaporosidadextremadamentebajadel0,28%Porosidadeficaz[effectiveporosity,specificyield](me):

me=Volumendeaguadrenadaporgravedad/volumentotalElnumeradordeestaexpresinrepresentaelvolumendelosporosquesehavaciado.Se

expresaigualquelaporosidadtotal(%oentantopor1).Retencinespecfica:Diferenciaentrelosdos

parmetrosanteriores.Ejemplo:Disponemosde1m3dearenaseca,leintroducimosagua

hastaqueestcompletamentesaturado(todoslosporosllenosdeagua).Supongamosqueparaellohemosnecesitado280litros.Despusdejamosqueelaguacontenidaescurralibremente;supongamosquerecogiramos160litros.Evidentementelos120litrosquefaltansehanquedadomojandolosgranos.Conestosdatospodemoscalcular:

1m3=1000dm31000litrosmt=280/1000=0,2828%me=160/1000=0,1616%

Retencinespecfica=0,280,16=0,1212%

PorosidadeficazparaelflujoTambinsedefinelaporosidadeficazcomoel

volumendehuecosdisponibleparaelflujorespectodelvolumentotal.Aproximadamentesoncantidadesequivalentes:elaguaquequedaadheridaalosgranosyquenopuedeextraersetampocopermiteelflujo:Enlafiguraadjuntarepresentamosenrayadoelaguaadheridaalosgranos;loshuecosquequedan(enblancoeneldibujo)representantantoelaguaextrablecomolaseccinutilizableporelflujodelaguasubterrnea.

Ladiferenciaentreambasporosidadeseficacesseranlascallessinsalida,gruposdeporosquedisponendeposiblesalidadelaguaquecontienen,

peronoporambosladosparapermitirelflujoatravsdeellos.

Fig.1.- Ejemplo de porosidad eficaz por drenaje. Este volumen es el

Fig.2.- El agua adherida a los

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Eningls(americano)losdosconceptosdeporosidadeficazquehemosvistorecibendenominacionesdistintas:2: Specificyieldnosinformadelvolumendeaguaquepodemosobtenervaciandounmedioporoso

saturado.Enespaolpodradenominarseporosidadeficazdedrenaje. Effectiveporosityserefierealaporosidadquepermitelacirculacindelagua.Enespaolpodraser

porosidadeficazdeflujo.Enespaolnormalmenteenelusocotidianoparaambosconceptossediceporosidadeficaz.Portodoello,sidisponemosdeunvalornumrico,generalmenteloasignaremosaambosconceptos.No

obstante,enocasionessedistinguen:porejemploenelmodelodeflujoMODFLOW,sesolicitanseparadamentevaloresdespecificyieldydeeffectiveporosity.

PorosidadintergranularyporfisuracinAlhablardeporosidad,intuitivamentesepiensaenlosporosdeunmaterialdetrtico,

comounasarenas.Perolasrocascompactastambinpuedencontenerciertaproporcindeaguaensuinteriorensusfisuras.Normalmente,estasfisurassonfracturasproducidasporesfuerzostectnicos,peropuedendeberseaotrascausas:enfriamiento(rocasvolcnicas),planosdedescompresinodiscontinuidadessedimentarias,etc.Trassuformacin,estasfisuraspuedenserocluidasporlosmineralesarcillososresultantesdelaalteracin,oporelcontrarioladisolucinhaceaumentarlaabertura,aveceshastaformarampliosconductos(especialmenteencalizas).

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Lasescalassealadaseneldibujosonmeramenteindicativas,paramostrarquela

porosidadporfisuracinsepresentaaescalasmuydiversas.Tambinsehabladeporosidadprimariaysecundaria.Sedenominaporosidadprimariaa

laqueresultaaloriginarselaformacingeolgica;porosidadsecundariasercualquieraberturaqueseproduzcaposteriormente.

Losporosdeunasarenassonporosidadprimaria.Lasfracturasqueseproducenenunarocacompactadebidoaesfuerzostectnicossonporosidadsecundaria.Enocasionessepresentanlosdostiposenlamismaformacingeolgica(porosidaddual):unaareniscapresentaporosidadprimariaentrelosgranosyporosidadsecundariaatravsdelasfracturasuotrosplanosdediscontinuidaddelaroca.

2Latraduccinliteraldeestosconceptosesrendimientoespecficoyporosidadefectiva,peroambossonconfusos

paraelusocotidiano:elprimeroseconfundeconretencinespecfica(suopuesto)yelsegundoessimilaralgenricoporosidadeficaz.

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FactoresTantolaporosidadtotalcomolaeficazdependende: Laheterometra:losfinosocupanlosporosquedejanlosgruesosylaporosidad

disminuye. Laformaydisposicindelosgranos. Lacompactacin,cementacinyrecristalizacin,quevanairdisminuyendola

porosidadEnelcasodelaporosidadintergranular,laporosidadtotalnodependedeltamaode

grano(pinsesequeelporcentajedehuecoseneldibujoanteriorseraelmismosiloreprodujramosampliadooreducido).Encambiolaporosidadeficazssevemuyafectadaporeltamaodegrano:siesmsfino,laretencinespecficaaumenta.Enlafigura43semuestralavariacindelaporosidadtotalyeficazenfuncindelagranulometraparamaterialesnoconsolidados.Laporosidadtotalesmximaparalasarcillas,perolaeficazescasinula.Laporosidadeficazaquserefiereaspecificyield(porosidadeficazparadrenaje).

Enlasnumerosasreproduccionesdeestegrfico,enelejehorizontalavecesfiguraeldimetro10%4yotrasveceseldimetromedio).Comoenningncasoseindicaelgradodeheterometradelosmateriales,podemossuponerqueestefamosogrficonosaportasolamenteunainformacincualitativa,nocuantitativa.

Tambinpuedeestimarselaporosidadeficazeneltringuloarenaslimosarcillasdelafigura5(Johnson,1967,p.D8).

Enambosgrficos,laporosidadeficazserefiereaspecificyield(porosidadeficazparadrenaje).

Laporosidadporfracturacinestdeterminadaporlahistoriatectnicadelazonayporlalitologa;esdecir:cmocadatipoderocaharespondidoalosesfuerzos.Comoseindicabamsarriba,enestetipodeporosidadesdeterminantelaposibledisolucindelafracturao,porelcontrario,lacolmatacinpormineralesarcillososoprecipitacindeotrosminerales.

3Estegrficoestreproducidoconvariacionesenmanualesypublicaciones,lamayoradelasvecessincitarsuorigen.

Esdifcilconcretarsuprimerautor,posiblementeConkling(1934,p.68).Nuestrafigura4esunamodificacindelpresentadoporStephensetal.(1998)

4Tamaotalqueel10%delmaterialesmsfinoyel90%esmsgrueso

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Fig. 4.- Variacin de la porosidad con la granulometra en materiales detrticos no consolidados

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Fig. 5.- Relacin granulometra-porosidad eficaz

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Superficiefretica.AcuferoscolgadosLosporosofisurasdelterrenoestnllenos

deagua(saturados)hastaundeterminadonivelquesedenominasuperficiefretica[watertable],siemprequeexistainfiltracinprocedentedelasprecipitaciones.Cuandoestasuperficieescortadaporunpozo,ensteelniveldelaguacoincidirconlasuperficiefretica:sehabladelnivelfreticoenesepunto.

Elconceptodesuperficiefreticanoestansimple:sobreellaexisteunafranjadeterrenosaturada(porosllenosdeagua),yaqueelaguahaascendidoporcapilaridad.Elespesordeestafranjacapilarpuedeserinapreciableengravashastaalcanzarvariosmetrosenarcillas.Lasuperficiefreticaeslasuperficieformadaporlospuntosconunapresinigualala

presinatmosfrica.EnB,lapresindelaguaesigualalapresinatmosfrica;porencima(puntoA)lapresinesinferiorala

atmosfrica:poresoelaguaasciendesuccionadacontralagravedad;ypordebajo(C)essuperior,yaquesoportalapresindelacolumnadeaguaBC.

Engeneral,sedenominazonasaturadaalapartedelsubsueloqueseencuentrapordebajodelasuperficiefretica,yenlaquetodoslosporosofisurasestnllenosdeagua.Porencimadelasuperficiefreticahablamosdezonanosaturada,aunqueenellapuedenexistirporoshmedosoinclusosaturados(ademsdelafranjacapilaryaexplicada,porejemplo,masasdeaguaqueestndescendiendoporgravedadprocedentesdeprecipitacionesrecientes).

Lasuperficiefreticaenunareginescontinuaysuelepresentarunaformasimilaralatopografa,perosuavizada(figura6.a).Estonecesitaunaciertainfiltracinprocedentedelasprecipitacionesyquenoexistasobreexplotacin(extraccinporbombeosexcesiva).

Aveces,cuandolasuperficiefreticaregionalseencuentraaciertaprofundidadyexisteunnivelimpermeablequelosustente,seproducenacuferoscolgados[perchedaquifers],normalmentededimensionesreducidasysingranimportanciadentrodelosrecursoshdricosdelaregin(figura6.b).

1 2

1 2

')

')

Fig. 6.- (a) Superficie fretica paralela a la topografa. (b)

Superficie fretica profunda. Acufero colgado

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3

4

2

*

2

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Tiposdeacuferos:libres,confinadosysemiconfinadosSedenominanacuferoslibres[unconfinedaquifers]aquellosquesulmitesuperior(la

superficiefretica)estapresinatmosfrica.Siextraemosagua,descenderlasuperficiefreticaigualquedesciendeelnivelcuandoextraemosaguadeunapiscina.

Encambio,enlosacuferosconfinados[unconfinedaquifers]sulmitesuperiorseencuentraapresinsuperioralaatmosfrica:esunacapaimpermeable;siextraemosaguadel,ningnporosevaca,laextraccinprocededeladescompresindelaguayenmenormedidadelacompresindelamatrizslida.Siesacompresindelacuferoesnotoriaynoesreversible,llegarnaproducirseasentamientosysubsidenciadelterreno.

Siseperforaunsondeoylaperforacinalcanzalasuperficiefreticadeunacuferolibre,elniveldelaguaenlaperforacinpermaneceenelmismonivelenquesecort.Estansimplecomocuandoenlaplayaabrimosunhoyoconlasmanos,yenelfondoapareceagua,yaquelaarenadelaplayaestsaturadahastalaalturadelniveldelmar.

Encambio,cuandounaperforacinalcanzaeltechodeunacuferoconfinado,elniveldelaguadentrodelaperforacinpuedesubirvariosmetros.

Mientrasqueenlosacuferosconfinadoselespesoresfijo(eselespesordelaformacingeolgicaqueconstituyeelacufero),enlosacuferoslibressehabladeespesorsaturado,(hastalasuperficiefretica),quepuedevariarsisubeobajalasuperficiefretica..

Lasuperficievirtualformadaporlospuntosquealcanzaraelaguasisehicieraninfinitasperforacionesenelacufero,sedenominasuperficiepiezomtrica[piezometricsurface],yenunpuntoconcreto,enunpozo,sehabladenivelpiezomtrico(engriego:piezo=presin)

12

4

2

52

*

6

1+

4

+

5+2 57

+

*

6

6

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Cuandolasuperficiepiezomtricaestporencimadelasuperficietopogrfica,seproducenlossondeossurgentes[flowingwell].

Ladenominacinpozoosondeoartesiano[artesianwell]esequvoca.Paraalgunosautoresartesianoessinnimodeconfinadoyparaotrosdesurgente,porlocualesmejorevitarla5

Lasurgencianoesunindicadordelaproductividaddelacaptacin:unsondeosurgentealserbombeadopuedeproporcionaruncaudalmnimoquelohagainexplotable.Lasurgenciareflejalaalturadelapresindelagua(veremosdespusquenoesexactamentelapresin,sinoelpotencialhidrulico),mientrasqueelcaudalquepuedeproporcionarelsondeodependedelaTransmisividadydelCoeficientedeAlmacenamiento(queveremosenelsiguienteapartado).

Masfrecuentesquelosacuferosconfinadosperfectossonlosacuferossemiconfinados[leakyaquifer].Sonacuferosapresin(portantoentraranenladefinicinanteriordeacuferosconfinados),peroquealgunadelascapasconfinantessonsemipermeables,acuitardos,yatravsdeellaslelleganfiltracionesorezumes(eningls:leak=rezume)

Vemosenlafiguraadjuntaunacuferolibreyunsemiconfinadoseparadosporunacuitardo.Seapreciaqueelniveldelaguaenellibreesmasaltoqueenelsondeoquecortaelacuferoprofundo(laentubacindeestesondeosoloestararanuradaenelacuferoinferior).Portanto,aunquelapermeabilidaddelacuitardoseamuybaja,seproducirunflujodeaguaatravsdelmismohaciaabajo.

Sielsistemasemantuvieraestable,sinalteracionesdesdeelexteriorduranteeltiemposuficiente,elflujoatravsdelacuitardoequilibraralosniveles,lasuperficiefreticaypiezomtricasesuperpondranycesaraelflujo(nohabragradientehidrulicoqueobligaraalaguaacircular).Perounasituacincomoladeldibujopuedemantenerseindefinidamentedebidoalaexplotacindelacuferoinferioroalallegadadeaguaalsuperiorporinfiltracindelasprecipitaciones.

Nosiemprelaalimentacindebellegarledesdearriba:sibajoelsemiconfinadohubieraotroacuitardo,ymsabajounacuferoconunapresinmayor,seproduciraunafiltracinverticalascendente.

5ArtesianostienesuorigenenlaregindeArtois,Francia,dondeelsigloXIXseobtuvieroncaudales

surgentesespectaculares;entoncesnoexistanbombascapacesdeextraeraguadenivelesprofundos,demodoquelasurgenciaeraelnicomododeaprovecharelaguasubterrneaqueseencontraraamsdeunospocosmetrosdeprofundidad.

6

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CoeficientedealmacenamientoHemosvistoque

elvolumendeaguaqueproporcionaunacuferolibresepuedecalcularmediantelaporosidadeficaz.Peroesteparmetrononossirveenelcasodelosacuferosconfinados:cuandoproporcionanagua,todossusporoscontinansaturados,slodisminuyelapresin,demodoqueeldatodelaporosidadeficaznoindicanada.Necesitamosunparmetroqueindiqueelagualiberadaaldisminuirlapresinenelacufero,elCoeficientedealmacenamiento(S)[Storativity]quesedefineas:

Volumen de agua liberadoSVolumen total que ha bajado la superficie piezomtrica

Enlafigura(a)vemosunacolumnade1m2debasedeunaacuferoconfinado,enlaquelasuperficiepiezomtricahabajado1m.ElpequeovolumendeaguaobtenidoesS.

Estadefinicinreflejatambinelconceptodeporosidadeficaz:enlafigura(b)unacolumnade1m2debasedeunacuferolibreenlaquelasuperficiefreticahabajadounmetro;elvolumendeaguaobtenidoeslaporosidadeficaz(specificyield).Perosondosconceptosdistintos:

Enellibre,sloaportaagua(porvaciado)elm3superior,entrelasdosposicionessucesivasdelasuperficiefretica.

Enelconfinadoaportaagua(pordescompresin)todalacolumnaverticaldeacufero;portanto,sumagnituddependedelespesorgeolgicodelacufero.

UnconceptodistintoeselAlmacenamientoespecfico[SpecificStorage](Ss)queeselvolumenliberadopor

1m3deacuferoconfinado(noportodalacolumnadeacufero)aldescender1m.lasuperficiepiezomtrica.Portanto:Ss=S/espesor

Enlaprcticaserutilizaelcoeficientedealmacenamiento,S(Storativity),yaqueeselparmetroquenosindicaelaguaquepodemosobtenerdeacuferosconfinadosysemiconfinados.ElvalordeSsseutiliza,porejemploenMODFLOW.

ElAlmacenamientoespecfico(SpecificStorage,Ss)esiguala:Ss=gm)

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*8!

12

6

6

*8!

1+

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donde:g=gravedad;=densidaddelagua;m=porosidad;=compresibilidaddelamatrizslidadelacufero=compresibilidaddelagua

Elcoeficientedealmacenamientoes,comolaporosidadeficaz,adimensional(volumen/volumen),ylosvaloresquepresentasonmuchomsbajosenlosconfinadosperfectosqueenlossemiconfinados.Losvalorestpicosseranstos:

Acuferoslibres(porosidadeficaz):0,3a0,01(3.101a102)

Elaguaprovienedelvaciadodelosporos

Acuferossemiconfinados(coef.dealmacenamiento):103a104

Elaguaprovienededescompresinydelosrezumesdesdelascapasconfinantes

Acuferosconfinados(coef.dealmacenamiento):104a105

Elaguaprovienededescompresin

PermeabilidadytransmisividadPermeabilidadesunconceptocomnynoharafaltadefinirlo:lafacilidadqueun

cuerpoofreceaseratravesadoporunfluido,enestecasoelagua.EnHidrogeologa,lapermeabilidad(omejor:conductividadhidrulica,K)esunconcepto

mspreciso.Eslaconstantedeproporcionalidadlinealentreelcaudalyelgradientehidrulico:

Caudalporunidaddeseccin=K.gradientehidrulico

.)( .)(

)()/(

2

3

mlmhK

mSeccindiamCaudal

El caudal que atraviesa el medio poroso perpendicularmente a la seccin sealada es linealmente proporcional al gradiente h / l

Veremosestoendetallemsadelante.Basteaqucomprenderqueelgradienteescomola

pendientequeobligaaunabolarodarporunplanoinclinado.Enestecaso,obligaalaguaacircularatravsdelmedioporoso,y,lgicamente,amayorgradiente,circularmayorcaudal.

LaecuacinanterioreslaLeydeDarcy,ylacitamosaqusloparadefinirelconceptodepermeabilidad(oconductividadhidrulica)yobtenersusunidades:despejandoenlafrmulaanteriorsecompruebaquelasunidadesdeKsonlasdeunavelocidad(L/T).EnelSistemaInternacionalseranm/seg.,peroparamanejarnmerosmscmodos,portradicinsecontinautilizandometros/da.EnGeotecniayotrasramasdeingenieraseutilizaelcm/s.

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TransmisividadSiobservamoseldibujointuimosquelosdosestratosacuferosdebenproporcionarel

mismocaudal:laconductividadhidrulicadelderechoeslamitadqueelizquierdo,perosuespesoreseldoble.

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5

5

Efectivamente,elparmetroquenosindicalafacilidaddelaguaparacircular

horizontalmenteporunaformacingeolgicaesunacombinacindelaConductividadHidrulicaydelespesor:

Transmisividad=ConductividadhidrulicaEspesorComolasunidadesdelaConductividadHidrulicasonL/TylasdelespesorL,las

unidadesdelaTransmisividadsernL2/T.Porejemplo:m2/da,ocm2/seg.Enelejemplomostradoeneldibujoanterior,latransmisividadenamboscasosserade

150m2/da.Latransmisividadesvariableenacuferoslibres:Enunconfinadosuespesoresconstante,luegolaTransmisividadtambinesconstante.Enunacuferolibresuespesorsaturadovaraconlasoscilacionesdelasuperficiefretica(porejemplo,inviernoverano),conloquevaratambinsutransmisividad.

ResumenLapersonalidadhidrogeolgicadecualquierrocaoformacingeolgicaestdefinida

pordosfactores:Sucapacidaddealmacn,dealmacenaraguaycederladespus(porosidadeficaz,coeficientealmacenamiento)

Sucualidaddetransmisor,depermitirqueelaguacirculeatravsdeella(permeabilidad,transmisividad)

Porosidadtotal PermeabilidadAcuferos Altaomoderada AltaAcuitardos Altaomoderada BajaAcuicludos Alta Nula

Recordandolosconceptosbsicosdelprimerapartado:

Acufugos Nulaomuybaja Nula

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