Hidrogeología Física - Conceptos Básicos y Definiciones 2019 PDF

Ingeniería Ambiental 2019 HIDROGEOLOGÍA MSc. Jorge Zafra Cordova Profesor del Curso de Hidrogeología [email protected]  Hidrogeología MSc.MSc. Ing. Ing. Jorge Jorge ZafraCordova Zafra Cordova  Hidrogeología...

Ingeniería Ambiental 2019 HIDROGEOLOGÍA MSc. Jorge Zafra Cordova Profesor del Curso de Hidrogeología [email protected]  Hidrogeología MSc.MSc. Ing. Ing. Jorge Jorge ZafraCordova Zafra Cordova  Hidrogeología Hidrogeología Física- Conceptos Básicos y Definiciones Clasificación Hidrogeológica de Formaciones Geológicas. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Clasificación Hidrogeológica de Formaciones Geológicas Acuífero (del latín aqua = agua y fero = llevar): formación geológica que permite el almacenamiento y el desplazamiento o transmisión del agua por poros o por grietas, proporcionando cantidades apreciables de agua para su explotación de una manera fácil y económica. Ejemplos: gravas y arenas no consolidadas, areniscas poco cementadas, rocas altamente fracturadas o meteorizadas, formaciones calcáreas muy carstificadas. Grava y arena Caliza carstificada Roca fracturada y (Huarmey -) (Apurimac) meteorizada (Huarmey) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Clasificación Hidrogeológica de Formaciones Geológicas Acuitardo (del latín tardare = retardar): Formación geológica de baja permeabilidad que almacena agua pero la transmite con mucha dificultad, es decir, muy lentamente. No es posible su explotación directa en forma económica, pero puede recargar, por flujo vertical inducido a otros acuíferos (explotación indirecta). Ejemplos: arcillas limosas o arenosas. Grava, arena y lentes limosos o arcillosos. (Cercanías a Huarmey) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Clasificación Hidrogeológica de Formaciones Geológicas Acuícludo (del latín claudere= encerrar o cerrar): 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 interior. Ello hace que no sea posible su explotación. Ejemplo: Arcillas Arcillas en potencial ubicación de relaves (Proyecto Manantial Espejo, Argentina) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Clasificación Hidrogeológica de Formaciones Geológicas Acuífugo (del latín fugere = huir): formación geológica absolutamente impermeable que no almacena agua ni la transmite. Ejemplos: rocas ígneas o metamórficas sin meteorización ni facturación Granodiorita Arequipa MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Hidrogeología Física- Conceptos Básicos y Definiciones Tipos de Acuíferos MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Tipos de Acuíferos Acuífero Libre, No Confinado o Freático Está limitado en su base por un acuícludo o acuífugo y no presenta ninguna capa confinante sobre mismo Debido a esta configuración, la superficie freática está en contacto directo con el aire, y por lo tanto, a presión atmosférica. En este tipo de acuífero cualquier nuevo aporte de agua simplemente elevarían la superficie freática; o a la inversa, si extrajésemos agua, la superficie freática bajaría. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Tipos de Acuíferos Acuífero Confinado Cautivo o Presión Está limitado en su techo y en su base El agua en este acuífero está sometida a por un acuícludo o un acuífugo, cierta presión, superior a la atmosférica, por encontrándose completamente saturado. lo que el nivel freático se ubica sobre el techo del acuífero (artesiano), o incluso podría ubicarse sobre el terreno (artesiano fluyente). MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Tipos de Acuíferos Acuífero Semiconfinado o Semicautivo Está limitado en su techo y en su base por Es un caso particular de los acuíferos cautivos, acuitardos, aunque también podría encontrarse en que la base y/o el techo que los encierra no es limitado por un acuitardo en un lado y un totalmente impermeable, sino un acuitardo, es acuícludo en otro lado. decir, un material que permita una filtración vertical del agua, muy lenta, que alimente el acuífero principal en cuestión, a partir de un acuífero o masa de agua situada encima o debajo del mismo. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Tipos de Acuíferos Acuífero Semiconfinado o Semicautivo Nivel Freático Nivel Freático Nivel Freático Acuífero Acuífero Acuitardo Acuitardo Acuífero Acuitardo Acuífero Acuífero Acuícludo Acuícludo MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Presentación de Acuíferos en el Medio Geológico Acuíferos en estratos Acuíferos en zona asociadas con fallas y fracturas MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Presentación de Acuíferos en el Medio Geológico Acuífero Confinado Acuífero Libre (a) Superficie freática colgada (zona de saturación que no es persistente y se apoya sobre una zona impermeable de extensión limitada). (b) Superficie freática principal. (c) Nivel piezométrico a profundidad C´del acuífero confinado. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Hidrogeología Física – Conceptos Básicos y Definiciones Propiedades Físicas MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Propiedades Físicas Porosidad Porosidad Total (m): Es la relación entre el volumen de los espacios ocupados por aire y/o agua y el volumen total. Es la suma de la porosidad eficaz y la retención específica. Porosidad Eficaz (me): Es la relación entre el volumen de agua libre (agua liberada por la acción de la gravedad) y el volumen total. Es una parte de la porosidad total. Las reservas útiles de un acuífero estan condicionadas por la porosidad eficaz. También se denomina rendimiento específico. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Propiedades Físicas Porosidad Retención Específica (ms): Es la relación entre el volumen del agua retenido por la roca inicialmente saturada una vez drenada el agua por gravedad y el volumen total. Es igual a la diferencia entre la porosidad total y la porosidad eficaz. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Propiedades Físicas Porosidad en Suelos Granulometría homogénea redondeada – porosidad alta. Granulometría homogénea redondeada cuya porosidad ha disminuido por cementación de sus intersticios con materias minerales. Granulometría heterogénea redondeada – porosidad baja. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Propiedades Físicas Porosidad en Suelos Granulometría homogénea angular – porosidad media. Granulometría heterogénea angular – porosidad muy baja. Granulometría homogénea y elementos que a su vez son porosos – porosidad muy alta. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Propiedades Físicas Porosidad en Rocas Tipos de Porosidad por Origen Ø Porosidad primaria: es la porosidad que está presente cuando la roca se forma. Ø Porosidad secundaria: es la porosidad generada por algún proceso o interacción de la roca MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Propiedades Físicas Porosidad en Rocas Sistemas de Porosidad Ø Porosidad única (A): porosidad sólo se debe a fracturas, pues la matriz es impermeable. Ø Microfisuras (B): porosidad debido a fracturas principales y a un sistema denso de microfisuras, lo cual incrementa la porosidad de la matriz de la roca. Ø Porosidad doble (C): coexisten dos tipos de porosidad, la primaria o matriz porosa (por ejemplo la roca arenisca) y la secundaria o fracturas. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Propiedades Físicas Porosidad en Rocas MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Propiedades Físicas Porosidad en Rocas MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica La conductividad hidráulica (permeabilidad respecto al agua) es el caudal que pasa por una sección unitaria del acuífero bajo un gradiente hidráulico también unitario a una temperatura fija o determinada, medida en ángulo recto a la dirección de flujo. Esta permeabilidad se calcula utilizando la ley de Darcy, la cual se expresa de la siguiente manera: Donde: Q = caudal (m3/s). i = gradiente hidráulico = pendiente del nivel freático = pérdida de carga hidráulica por longitud. A = área de la sección perpendicular a la dirección del flujo (m2). K = coeficiente de permeabilidad de Darcy (m/s) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica La permeabilidad tiene un amplio rango de valores posibles. Los factores que determinan la permeabilidad pueden ser intrínsecos y extrínsecos. Los factores intrínsecos son los propios del acuífero y dependen del tamaño de los poros. Los factores extrínsecos son los que dependen de fluido y son fundamentalmente su viscosidad y su peso específico. Es mejor que la conductividad hidráulica sea medida in-situ, pues los datos obtenidos en campo son más confiables y más representativos que aquellos determinados en el laboratorio. Esto debido a las siguientes razones: a) la permeabilidad de los materiales depende de la macroestructura (estratificación) y microestructura (disposición de las partículas) del suelo; b) el gran volumen de material probado in-situ y c) se evita la perturbación asociada con el muestreo MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica Ky La conductividad hidráulica es Kx una propiedad tridimensional Kz En cuanto a K1 Homogénea K2 variación K3 Heterogénea espacial Ky Isotrópica En cuanto a Kx variación direccional Ky Anisotrópica Kx MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica Homogéneo Heterogéneo Fracturado Recarga Recarga Recarga t1 t1 t1 t2 t2 ARENA ARENA LIMO ARCILLA t2 ARENA QSALIDA QSALIDA QSALIDA QSALIDA > Recarga QSALIDA > Recarga QSALIDA > Recarga MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica Flujo en Paralelo En este caso, la capa más permeable domina, es decir, que los medios más permeables condicionan el flujo de agua. b b b MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica Flujo en Serie En este caso, la capa con la permeabilidad menor es la que condiciona la permeabilidad equivalente del conjunto. Ejemplo: b b b Domina la mínima permeabilidad MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica Estimación de conductividad hidráulica en taladros K = conductividad hidráulica de intervalo (m/día) T = transmisividad aparente (m2/día) L = longitud de intervalo de prueba (m) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica Estimación de conductividad hidráulica en taladros Kprom = conductividad hidráulica promedio (m/día) Ki = conductividad hidráulica del intervalo de prueba “i” (m/día) Li = longitud de intervalo de prueba “i” (m) i = número de intervalos de prueba MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica Valores Tipicos Arenas MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Conductividad Hidráulica Influencia de las aperturas (e) y espaciamiento (b) de las fracturas en la conductividad hidráulica a lo largo de la dirección de un juego de fracturas en un macizo rocoso. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Transmisividad Es el producto de la conductividad hidráulica por el espesor saturado del acuífero. Es decir, es el caudal que, bajo una gradiente hidráulica unitaria, pasa por una sección transversal de ancho unitario y de altura igual al espesor saturado del acuífero. La transmisividad en un acuífero multicapas es la suma de la transmisividad de cada una de las capas. Donde: T = transmisividad (m2/día), K = conductividad hidráulica (m/día), b = espesor saturado del acuífero (m) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Transmisividad Efectiva (Te) Es el tipo de transmisividad que se utiliza en los medios fracturados, donde la transmisividad varía según la dirección de permeabilidad de los diferentes sistemas de fracturas principales. Se calcula como la media geométrica: Donde: Te= transmisividad efectiva (m2/día), Tf(x) = transmisividad de las fracturas a lo largo del eje de permeabilidad “x”, Tf(y) = transmisividad de las fracturas a lo largo del eje de permeabilidad “y”. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Transmisividad MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Transmisividad La transmisividad puede tener un rango de valores para un acuífero pues depende del espesor saturado y de la conductividad hidráulica. Es común que la conductividad hidráulica disminuya con la profundidad y que el espesor saturado varíe estacionalmente. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Almacenamiento En Acuiferos Confinados En acuíferos confinados el agua que se extrae por bombeo proviene de los pequeños efectos elásticos del material geológico del acuífero y del agua. En estos acuíferos, el descenso del nivel piezométrico representa una reducción en la presión y no que el acuífero está siendo drenado. Elasticidad del material geológico: si la presión se incrementa, el material geológico se expandirá. Si la presión disminuye, el material geológico se contraerá pues tendrá que soportar una mayor parte del peso del terreno que tiene encima, con lo que se reducirá su porosidad efectiva y se liberará agua. Elasticidad del agua: si la presión se incrementa, el agua se contraerá. Si la presión disminuye, el agua se expandirá (para hacer frente a la presión constante del terreno sobre el acuífero). MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Almacenamiento Especifico (Ss) Es el volumen de agua que una unidad de volumen de un acuífero confinado y saturado almacena o libera cuando el nivel piezométrico varía en una unidad. También se denomina coeficiente de almacenamiento elástico. Tiene valores en el rango de 1 x 10-2 a 1 x 10-9 m-1, aunque generalmente varían de 1 x 10-4 a 5 x 10-7 m-1. Donde: Ss = almacenamiento específico (m-1), ρ = densidad del agua (kg/m3), g = aceleración de la gravedad (m2/s), α = compresibilidad del terreno (m2/N), β = compresibilidad del agua (m2/N), n = porosidad. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Almacenamiento Compresibilidad del Terreno (α) Compresibilidad del Agua Subterránea (β) 4.4 x 10-10 m2/N MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Almacenamiento Coeficiente de Almacenamiento (S) Es el volumen de agua que una unidad de superficie del acuífero libera o absorbe de su almacenamiento cuando el nivel piezométrico varía en una unidad. Es el producto entre el almacenamiento específico y el espesor saturado. Los valores típicos varían de 10-5 a 10-3. Es adimensional. Donde: S = coeficiente de almacenamiento, Ss = almacenamiento específico (m-1), b = espesor saturado (m) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Almacenamiento Almacenamiento Específico o Coeficiente de Almacenamiento Elástico (Ss) Ss = Volumen de agua liberada del almacenamiento (Unidad de volumen) (Variación unitaria del nivel piezométrico) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Almacenamiento En Acuiferos Libres o No Confinados En acuíferos libres el agua que se extrae por bombeo proviene del drenaje o vaciado del agua por gravedad que está contenida en los poros del mismo, por lo que coincide con la porosidad eficaz. En estos acuíferos el nivel freático se incrementa o desciende con cambios en la cantidad de agua en almacenamiento. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Almacenamiento Rendimiento Específico (Sy) Es el volumen de agua que un acuífero libre libera por gravedad de su almacenamiento por unidad de área de superficie del acuífero por unidad de descenso del nivel piezométrico. Los valores de rendimiento específico varían de: 0.01 a 0.40 en medio poroso 0.005 - 0.02 en roca fracturada En acuíferos no confinados, los efectos de la elasticidad de la matriz del acuífero y del agua son generalmente despreciables. El rendimiento especifico es igual a la porosidad eficaz y a veces también se le llama almacenamiento en acuíferos no confinados o poros drenables. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Rendimiento Específico (Sy) Sy= Volumen de Agua Liberada del Almacenamiento (Unidad Área) (Unidad de Variación del Nivel Piezométrico) MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Hidrogeología Física- Conceptos Básicos y Definiciones Efectos de Propiedades Fisicas en Conos de Bombeo MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Hidrogeología Efectos de Propiedades Fisicas en conos de Bombeo Formas de conos de bombeo según los parámetros del acuífero. MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova  Ingeniería Ambiental 2019 CONSULTAS? 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