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520 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos 521 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos CAPITULO 19 AGUA SUBTERRÁNEA A continuación, se definen algunos términos que son necesarios conocer para el presente capítulo. 19.1. Acuífero Formación geológica que permite el almacenamiento y desplazamiento o transmisión del agua por poros o grietas, proporcionando cantidades apreciables de agua para su explotación de una manera fácil y económica. 19.2. Acuífugo Formación geológica absolutamente impermeable que no almacena agua ni la transmite. 19.3. Acuitardo Formación geológica de baja permeabilidad que almacena agua, pero la transmite con mucha dificultad, es decir, muy lentamente. No es posible su explotación directa, pero puede recargar por flujo vertical inducido a otros acuíferos. 19.4. Acuicludo Formación geológica que almacena agua, pero no la transmite, es decir, que por sus características no permite el movimiento o circulación del agua en su seno. Ello hace que no sea posible su explotación. 19.5. Acuífero libre Acuíferos libres o freáticos son aquellos donde existe una superficie libre de agua encerrada en ellos, que está en contacto directo con el aire y, por lo tanto, a presión atmosférica (p=0, relativa a la atmósfera). Inferiormente están limitados por un estrato impermeable, y superiormente, la superficie freática que lo limita coincide con el interfaz entre la zona saturada y no saturada. Por lo que es variable, de forma que una lluvia elevaría este interfaz en una nueva posición o a la inversa, si extrajésemos agua, este interfaz bajaría. 19.6. Acuífero confinado En los acuíferos cautivos o confinados el agua está sometida a una cierta presión, superior a la atmosférica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formación geológica que lo contiene, saturándola totalmente. Sus límites (zócalo o basamento) y la parte superior (techo) están constituidos por estratos impermeables. 19.7. Acuífero semiconfinado Esta formación está constituida por estratos semipermeables, que permiten el paso del agua de otros acuíferos superiores al inferior que es semiconfinado, existiendo transferencia de agua vertical que alimenta al acuífero inferior. 522 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos 19.8. Nivel piezométrico de un acuífero El nivel piezométrico de un acuífero es la altura que alcanza el agua sobre una horizontal de referencia, cuando se deja libre a la presión atmosférica. 19.9. Acuífero confinado comportándose como un acuífero libre Que un acuífero se comporte como libre o confinado depende no solo de su configuración física (existencia o no de una capa superior confinante), sino también de la cantidad de agua que contiene. Figura 237. Estado de agua en el suelo Fuente: Lopez (1973). 19.10. Grado de saturación de agua en el terreno a) Volumen de control Volumen determinado de terreno limitado por una superficie cerrada arbitraria. 523 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos Figura 238. Delimitación de volumen de control Fuente: Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingenieria Ambiental [IMFIA] (2007). b) Grado de saturación El grado de saturación de agua en un terreno es la magnitud que mide la fracción de poro o vacío de la roca ocupado por la líquida; es decir, depende de la cantidad de agua contenida en los espacios vacíos o intrínsecos (poros) del terreno. Se divide en medio saturado y no saturado. = Ecuación 204. Grado de saturación Donde: Va es el volumen de agua almacenada; Vp es el volumen de poros. 0 S 1 ; Cuando: Va = Vp = 1 (Zona Saturada). c) Porosidad total Es el volumen de suelo no ocupado por las partículas sólidas (volumen ocupado por los poros) expresado como porcentaje del volumen total de la roca, por tal depende solo de la constitución intrínseca de la roca, es decir de su textura. Mt = Volumen de porosVolumen total de roca La porosidad en el laboratorio se determina mediante la ecuación: %P = Dr−DaDr x 100 Ecuación 205. Porosidad total Donde: Dr, es la densidad real; Da la densidad aparente. La porosidad es independiente del tamaño de las esferas y por lo tanto si, conservando la misma disposición espacial, este disminuye, aquella permanece constante. La gran diversidad del tamaño de los poros que existe en un suelo es distinta a su comportamiento respecto al agua. Para que el agua circule por gravedad, el diámetro de estos debe ser superior a 30 micras aproximadamente. 524 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos Se designa microporosidad a la parte del volumen de poros (expresada también como porcentaje del volumen total) susceptible de retener agua en contra de la acción de la gravedad y está relacionada con el concepto de la capacidad de retención, determinada en el laboratorio por el método de la Humedad Equivalente – Agua Retenida en un suelo de volumen dado al someterlo a una aceleración de 1g durante 60 minutos. Este método es una buena estimación para valores comprendidos entre el 12 y 30 %. La diferencia entre microporosidad y porosidad total se denomina macroporosidad o porosidad efectiva. d) Porosidad eficaz Se refiere al volumen de poros que están conectados, donde el agua puede transportarse, por ende, está ligada a las características del fluido. me= VeV Ecuación 206. Porosidad eficaz Donde: Ve es el volumen de poros interconectados; V es el volumen total de la roca. El concepto de porosidad efectiva es de gran importancia dentro del drenaje para considerar las variaciones del nivel freático debido a las cargas (cuando la capa superior se encuentra en su capacidad de retención; es decir, con los microporos llenos de agua) y descarga de un acuífero, pues una altura H (mm) de agua equivaldrán a H/p (siendo p esta porosidad efectiva) en mm de aumento o descenso del nivel del agua en el suelo como se muestra a continuación. Figura 239. Variaciones del nivel freático con la carga y descarga del acuífero Fuente: Lopez (1973). e) Volumen determinado de terreno Es un volumen de terreno lo suficientemente grande como para ser representativo de la heterogeneidad del terreno, pero también lo suficientemente pequeño como para reflejar adecuadamente la especificidad del terreno. 525 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos Figura 240. Volumen determinado de terreno Fuente: Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingenieria Ambiental [IMFIA] (2007). f) Densidad aparente de un terreno seco La densidad aparente de un terreno seco se obtiene por la siguiente formula. ρs = masavolumen = ρm × VmV = ρm × (1 − mt) Ecuación 207. Densidad aparente de un terreno seco Donde: Vm = V × (1 − mt); ρm es la densidad de roca o material compacto; Vm es el volumen de roca o material compacto; V es el volumen total. g) Densidad aparente de un terreno saturado La densidad aparente de un terreno saturado está dada por la siguiente formula. ρh = masavolumen = ρa × Vp + ρm × Vm V = ρa × Vt + ρm × (1 − mt) Ecuación 208. Densidad aparente de un terreno saturado Donde: ρa es la densidad del agua; ρm es la densidad de roca o material compacto; Vm es el volumen de roca o material compacto; V es el volumen total. 19.11. Coeficientes que definen un acuífero Cuando se bombea un caudal constante de un acuífero, el nivel de agua que ocupaba un plano horizontal, después del inicio del bombeo, pasa a tener superficies cónicas en torno al pozo. El abatimiento de esa superficie con el tiempo depende de la permeabilidad del acuífero y de la cantidad de agua almacenada (Monsalve, 2004). 526 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos Figura 241. Posiciones inicial y final del nivel de agua en un pozo después de un tiempo de iniciado el bombeo Fuente: Monsalve (2004). Inversamente,cuando después de un largo periodo de bombeo se deja de bombear, la superficie cónica empieza a llenarse hasta llegar a la posición inicial antes de iniciar el bombeo. Los coeficientes que definen el acuífero son el de transmisividad y el de almacenamiento. En los acuíferos freáticos prácticamente el almacenamiento está definido por la porosidad del material. Entre tanto, en un acuífero artesiano, además de la porosidad existe el defecto de comprensibilidad del agua y de la elasticidad del material. Así, de una unidad de volumen de un acuífero artesiano se puede sacar más agua que de una unidad de volumen de un acuífero freático con la misma porosidad (Monsalve, 2004). 19.12. Parámetros hidrogeológicos Los parámetros hidrogeológicos de un acuífero son la permeabilidad, transmisividad y el coeficiente de almacenamiento. 19.12.1. Permeabilidad (K) Es el parámetro que permite evaluar la capacidad que tiene el acuífero para transmitir el agua, en función solo de la textura de dicha formación. 𝐊 = Ecuación 209. Permeabilidad Donde: c es la constante adimensional; d2 es el factor que depende de la superficie intergranular; γ es el peso específico del líquido; μ es la viscosidad del líquido a temperatura. El término 2 = , se conoce como permeabilidad específica o intrínseca, y depende únicamente de las características del terreno. También recibe el nombre de permeabilidad efectiva o conductividad hidráulica, y se define como el caudal que atraviesa una sección unitaria de acuífero, bajo un gradiente piezométrico unitario, que depende de las características del medio físico y de las características del fluido (agua). Además, la permeabilidad puede obtenerse del cociente entre la transmisividad y el espesor del acuífero, por lo tanto, sus dimensiones serán: K = Tb = L2TL = LT 527 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos Donde: T es la dimensión tiempo; L es la dimensión longitud.Y se usa como unidad el m/día. La permeabilidad es una medida muy característica del acuífero, pero no representa como la Transmisividad las posibilidades de ceder agua. Un acuífero muy permeable, pero de poco espesor, puede ser de poca transmisión y como consecuencia, los pozos que se construyan no serán muy caudalosos. Una calificación cualitativa de los valores puede verse en la siguiente tabla. Tabla 169. Valores de permeabilidad (según autores) K(m/día) Calificación estimativa K < 10-2 Muy baja 10-2 < K < 1 Baja 1 < K < 10 Media a Alta 10 < K < 100 Alta K > 100 Muy alta Fuente: Villanueva (1984). A efectos de trabajar con acuíferos semiconfinados, convienen tener en cuenta los valores de permeabilidad de los materiales semipermeables (limo arenoso, limo, arcilla limosa y arcilla arenosa). En estos, K está comprendida entre 10-4 y 10-2 m/día, siendo 10-3 un valor representativo que se suele usar con mucha frecuencia. Los terrenos impermeables tienen valores de K inferiores a los 10-4 m/día. 19.12.2. Transmisividad (T) La transmisividad es el volumen de agua que atraviesa una banda de acuífero de ancho unitario en la unidad de tiempo y bajo la carga de un metro. Representa la capacidad que tiene el acuífero para ceder o transmitir agua. Partiendo de la definición, sus dimensiones son las siguientes: T = L3LL = L2 x T−1 Ecuación 210. Dimensiones de la Transmisividad Donde: T es la dimensión tiempo; L es la dimensión longitud. Lo más común es que la transmisividad se mida en m2/día, m2/hora o m2/s. Sin embargo, la unidad que da cifras más manejables es el m2/día, por lo que se aconseja sea usada en todos los ensayos. Este parámetro evalúa la capacidad de transmitir el agua en la formación rocosa, y además se caracteriza por tener en cuenta la textura de la formación y las características del fluido, también las características estructurales o geométricas. A efectos de irse familiarizando con esta unidad, se dan los valores de la siguiente tabla. Tabla 170. Valores de la transmisividad (según autores) T (m2/día) Calificación estimativa Posibilidades del acuífero T < 10 Muy baja Pozos de menos de 1 l/s con 10 m de depresión teórica. 10 < T < 100 Baja Pozos entre 1 y 10 l/s con 1 m de depresión teórica. 100 < T < 500 Media a Alta Pozos entre 10 y 50 l/s con 10 m de depresión teórica. 500 < T < 1000 Alta Pozos entre 50 y 100 l/s con 10 m de depresión teórica. T > 1000 Muy alta Pozos superiores a 100 l/s con 10m de depresión teórica. Fuente: Villanueva (1984). 528 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos La Transmisividad (T) se obtiene como el producto de la conductividad hidráulica K y el espesor del acuífero (b): = 𝐊 Ecuación 211. Transmisividad Es el parámetro más característico y representativo para definir la capacidad de un acuífero para transmitir agua. 19.12.3. Coeficiente de almacenamiento (S) El coeficiente de almacenamiento es el volumen unitario de agua descargado por un prisma vertical de base unitaria y altura del acuífero, cuando desciende una unidad de longitud de altura piezométrica media. = 𝐀 Ecuación 212. Coeficiente de almacenamiento En el caso de que el acuífero trabaje como libre, el coeficiente de almacenamiento representa el volumen de agua que puede ceder un volumen unitario de acuífero; se puede representar en tanto por ciento y coincide con la porosidad eficaz. Es un parámetro referido al volumen cedido por unidad de volumen de acuífero y por ello, al igual que la porosidad, es adimensional. Tabla 171. Valores de coeficiente de almacenamiento (según autores) Tipo de material permeable Forma de funcionamiento del acuífero Valores de S (medio) Kárstico Calizas y dolomías jurásicas Libre 2x10-2 Semiconfinado 5x10-4 Confinado 5x10-5 Calizas y dolomías cretácicas y jurásicas Libre 2x10-2 - 6x10-2 Semiconfinado 10-3x 5 x10-4 Confinado 10-4 -5x10-5 Poroso intergranular Gravas y arenas Libre 5x10-2 - 15x10-2 Semiconfinado 5x10-3 Confinado 5x10-4 Kársticos y porosos Calcarenitas marina y terciarias Libre 15x10-2 - 18x10-2 Fuente: Villanueva (1984). Estos valores son los que parecen ser más adecuados para introducir por tanteo en los ensayos de bombeo, cuando las circunstancias particulares de la prueba no hayan permitido el cálculo directo. Por último, para el caso de la permeabilidad en acuíferos detríticos, existe la posibilidad de tantearla con las muestras de los terrenos, comparando sus curvas granulométricas con otras estandarizadas en los ábacos debidos a Bredding, sin embargo, estas no son representativas de la realidad práctica. 529 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos 19.13. Potencial funcionamiento de un acuífero Una zona de saturación con el agua en movimiento está condicionada por la capacidad de realizar trabajo por parte de todas las partículas elementales que la conforman; es decir, de su energía. Esta energía consta de 3 componentes: • Energía potencial (Eh) = m x g x h • Energía cinética (Ec) = 12 x m x v2 • Energía de presión (Ep) = p x v Donde: g es la intensidad del campo gravitatorio; m es la masa; h es la altura respecto a una referencia; v es la velocidad del fluido (agua); p es la presión a la que está sometida el agua. Aplicando el principio de conservación de la energía, esta permanece constante a lo largo de una línea de corriente y, por lo tanto, se tiene lo siguiente: ET = EH + EC + EP = CTE O bien: (m x g x h) + 12 x m x v2 + (p x v) = CTE Si extraemos un factor común “m x g” entonces: m x g (h + 12 x v2g + p x vm x g) = CTE Sabemos que la densidad ( ) es igual a masa por unidad de volumen, luego la expresión queda de la siguiente forma: m x g (h + 12 x v2g + p ρ x g) = CTE Al tratarse de un mismo fluido (agua) y un mismo campo gravitatorio, entonces el producto de (m x g) también es constante: h + v22g + p ρ x g = CTE La expresión anterior es el teorema de Bernoulli, dondetodos sus términos poseen dimensiones de longitud [ ]. En donde: [h] = L [v22g] = L2T−2LT−2 = L [ pρ x g] = MLT−2L−2ML−3LT−2 = L 530 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos Por tal razón, los términos de dicha ecuación pueden denominarse altura de posición, de velocidad y de presión, respectivamente. La energía de las partículas de agua suele ser muy pequeña en el movimiento a través de un suelo, por tal, el término V2/2g, llamado altura de velocidad, puede despreciarse. Entonces el potencial en un punto dado queda definido por la altura de posición y la altura de presión. En dicho punto, la energía estará dada por su nivel piezométrico o suma de las alturas de posición y presión. Figura 242. Nivel Piezométrico Se puede definir el nivel piezométrico para el punto A o B de la imagen, el cual será constante para cualquier punto de esta vertical en un almacenamiento libre de agua cuando sea homogéneo. 19.14. Tipo de capas acuíferas Las capas acuíferas de agua del subsuelo pueden clasificarse como formaciones de capas freáticas o artesianas. 19.14.1. Acuífero freático Un manto acuífero del tipo freático es el que no está confinado por una capa impermeable; por lo tanto, se llama también acuífero no cautivo. El agua de estas capas está visiblemente a la presión atmosférica y el manto superior de la zona de saturación se llama capa freática. Esta marca el nivel más alto el cual se elevará en un pozo construido en un manto acuífero del tipo de capa freática. Figura 243. Acuífero freático Fuente: Monsalve (2004). 531 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos 19.14.2. Acuífero artesiano Una capa acuífera artesiana es aquella en la que el agua está confinada bajo una presión más grande que la atmosférica, por una superpuesta relativamente impermeable. De aquí tales capas también se llaman cautivas o a presión. A diferencia del caso de capas freáticas, el agua de las capas artesianas se elevará en los pozos a niveles situados arriba del manto del fondo superior de confinamiento. Esto se debe a la presión creada por la capa confinante y es la característica distintiva de los dos tipos de mantos acuíferos. Figura 244. Acuífero artesiano Fuente: Monsalve (2004). La superficie imaginaria a la cual se elevará el agua en los pozos localizados en una capa acuífera artesiana se llama superficie piezométrica. Esta superficie puede estar arriba o debajo de la superficie del suelo, en diferentes partes de la misma capa acuífera, como se muestra en la siguiente figura, donde se observa que la superficie piezométrica se encuentra sobre la superficie del suelo. Un pozo para captar la capa acuífera fluirá al nivel del suelo y se conoce como pozo artesiano de flujo. Donde la superficie piezométrica yace bajo la superficie del suelo, resulta un pozo artesiano sin flujo (semisurgente) y debe proveerse algún medio para elevar el agua, como por ejemplo una bomba y poder sacarla del pozo. Es conveniente hacer notar aquí que el uso más antiguo del término del pozo artesiano se refirió solamente, al tipo de flujo, mientras que el uso actual incluye los pozos de los dos tipos de flujo, siempre que el nivel del agua en el pozo se eleve sobre el fondo de la capa de confinamiento o el extremo superior del estrato acuífero. 532 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos Figura 245. Tipos de capas acuíferas Fuente: Villanueva (1984). Usualmente el agua entra en una capa acuífera artesiana en un área donde se eleva a la superficie del terreno y queda expuesta. Tal área expuesta se llama área de recarga y el manto acuífero en esa zona, no estando confinado, sería del tipo de capa freática. Los mantos acuíferos artesianos también pueden recibir agua del subsuelo procedente de filtraciones, a través de las capas confinantes y en intersecciones con otras capas acuíferas cuyas áreas de recarga están a nivel del terreno. 19.15. Funciones de las capas acuíferas Las aberturas y los poros en una formación productora de agua pueden considerarse como una red de tubos comunicantes a través de los que fluye el agua a velocidades muy lentas, rara vez más de unos cuantos centímetros por día, desde las áreas de recarga a las de descarga. Esta red de tubos, por lo tanto, sirve para proporcionar almacenamiento y flujo o funciones de conducción en un manto acuífero. 19.15.1. Función de almacenamiento Relacionadas con la función de almacenamiento de una capa acuífera, existen dos propiedades importantes conocidas como porosidad y rendimiento específico. 533 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos Figura 246. Representación visual del rendimiento específico Su valor aquí es de 0.1 m3 por metro cúbico de material de la capa acuífera. La porosidad de una formación portadora de agua es el volumen total de la formación consistente en aberturas o poros. Por ejemplo, la porosidad de un metro cubico de arena que contiene 0.25 metros cúbicos de espacios abiertos es 25 %. Por lo tanto, es evidente que la porosidad es un índice de la cantidad de agua del suelo que se puede almacenar en una formación saturada. La cantidad de agua obtenida o que puede tomarse de una formación saturada es menor de la que contiene y, por lo tanto, no está representada por la porosidad. Esta cantidad está relacionada con la propiedad conocida como rendimiento específico y se define como el volumen de agua liberado de un volumen unitario de material de la capa acuífera cuando se permite que fluya libremente por gravedad. El volumen restante de agua no extraída del flujo por gravedad se sostiene por las fuerzas capilares como las que se encuentran en el borde capilar y por otras fuerzas de atracción. Esto se llama retención específica y, como el rendimiento específico, puede expresarse como una fracción decimal o porcentaje. Como se definió, la porosidad es, por lo tanto, igual a la suma del rendimiento específico y la retención específica. Una capa acuífera con una porosidad de 0.25 o 25 % y rendimiento específico de 0.1 o 10 % tendrá, por lo tanto, una retención específica de 0.15 o 15 %. De un millón de metros cúbicos, 250 000 metros cúbicos de agua almacenados, de los cuales 100 000 metros cúbicos serían proporcionados por gravedad. 19.15.2. Función de conducción La propiedad de una capa acuífera relacionada con su función de conducción se conoce como permeabilidad. La permeabilidad es una medida de la capacidad de una capa acuífera para conducir agua. Es proporcional a la diferencia de presión y velocidad del flujo entre dos puntos que están en condiciones laminares o no turbulentas, y se expresa mediante la siguiente ecuación conocida como Ley de Darcy. 534 Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos V = P x (h1 − h2)l Ecuación 213. Velocidad del flujo Donde: V es la velocidad del flujo en m/d; h1 es la presión en el punto de entrada a la sección del conducto considerado (metros de agua); h2 es la presión en el punto de salida de la misma sección (metros de agua); l es la longitud de la sección del conducto (metros); P es una constante conocida como coeficiente de permeabilidad, pero, a menudo, designada simplemente como permeabilidad. De la ecuación de la velocidad de flujo, puede modificarse para expresar la gradiente hidráulica: V = P x I Donde: I = h1 − h2l La cantidad de flujo por unidad de tiempo a través de una sección transversal dada puede obtenerse a partir de la ecuación multiplicando la velocidad de flujo por esa área. Por lo tanto: Q = A x V = P x I x A Donde: Q es la cantidad de flujo por unidad de tiempo; A es el área de la sección transversal. Basado en la ecuación anterior el coeficiente de permeabilidad puede definirse, por lo tanto, como la cantidad de agua que fluirá a través de una unidad del área de la sección transversal del material poroso en launidad de tiempo, bajo un gradiente hidráulico igual a la unidad (I = 1) a una temperatura específica. Q se expresa usualmente en litros por día (ldp), A en metros cuadrados y P en litros por día y por metro cuadrado (lpd/m2). El caudal específico aparente “Say” es el volumen de agua extraído por unidad de superficie del acuífero y unidad de descenso del nivel freático. En la tabla siguiente se presenta una idea del caudal específico aparente de diversos materiales. Tabla 172. Caudal específico de los materiales de un acuífero Material Rango (Sya) Valor Medio (Sya) Arenisca fina 0.02 - 0.40 0.21 Arenisca media 0.12 - 0.41 0.27 Marga 0.01 - 0.33 0.12 Arena fina 0.01 - 0.46 0.33 Arena media 0.16 - 0.46 0.32 Arena gruesa 0.18 - 0.43 0.3 Grava fina 0.13 - 0.40 0.28 Grava media 0.17 - 0.44 0.24 Grava gruesa 0.13 - 0.25 0.21 Limo 0.01 - 0.39 0.2 Arcilla 0.01 - 0.18 0.06 Caliza 0 - 0.36 0.14 Loess 0.14 - 0.22 0.18 Arena eólica 0.32 - 0.47 0.38 Esquisto 0.22 - 0.33 0.26 Fuente: Frances et al. (2002).
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