gidahatari curso hem 1c conceptos basicos en hidrogeologia

7/31/2019 Gidahatari Curso HeM 1c Conceptos Basicos en Hidrogeologia

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Curso de Hidrogeologa

en Minera

Por:

Saul Montoya M.Sc.Ene 2012


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Sesin 1- c

Conceptos bsicos enHidrogeologa


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Que es la hidrogeologa?

Es la parte de la hidrologa que estudia laocurrencia, movimiento y calidad del agua debajo

de la superficie terrestre.

Su enfoque es interdisciplinario e involucra laaplicacin de la fsica, biologa y matemticas.


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El agua subterrnea

Flujo laminar no visible por el humano.

De importancia para las actividades humanas.

Es la fuente de agua de mayor calidad pero lams vulnerable a contaminacin.

Mayor inters en agua fresca y menor en elaguafsil.

14% del agua fresca de la tierra es aguasubterrnea.


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Balance de agua fresca global


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Rocas y Agua

La mayora de la roca cerca de la superficie estacompuestas de solidos y vacos.

Las rocas que contienen agua pueden serdepsitos no-consolidados (tipo suelo) o rocasconsolidadas.

Los depsitos no consolidados pueden tenerdesde unos centmetros hasta ms de 12000mdebajo del delta del Ro Mississippi.

La mayora de depsitos no consolidadosprovienen de la desintegracin de rocasconsolidadas


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Rocas y Agua

Rocas consolidadas consisten de partculasminerales unidas por el calor o presin.

Pueden ser gneas, sedimentarias y metamrficas Las rocas sedimentarias de inters son: calizas,

dolomitas, lutitas, areniscas y conglomerados.

Las rocas gneas de inters incluyen granitos y

basaltos. Importante de determinar la naturaleza de los

vacos en las rocas.


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Rocas de origen exgeno


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Rocas de origen endgeno


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Rocas y Agua

Fuente: USGS


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Facilidad de excavacin o perforacin (lo

que significa captaciones relativamente

econmicas) aunque a veces no de

sustentacin, por lo que puedenpresentar problemas de estabilidad.

Niveles piezomtricos cercanos a la

superficie del terreno (es decir,

pequeas alturas de elevacin, lo que

implica bombeos de menor costecomparativo).

Recarga aceptable o muy buena (que

significa buen mantenimiento de los

caudales en el tiempo y recursos

elevados).

La consolidacin est ligada al

incremento de la presin litosttica con

la profundidad.

El agua circula a travs de

discontinuidades de origen diverso y

geometra muy variable y las presiones

ejercidas sobre stas pueden

modificarse con mayor velocidad que en

un medio poroso no fracturado.

Medios Consolidados y NoConsolidados


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Medios Consolidados y NoConsolidados

Buena porosidad eficaz (lo que

representa volmenes de regulacin

altos, o gran capacidad de embalse, esdecir, notables reservas hdricas frente

a sequas prolongadas).

Alta probabilidad de obtener elevadas

permeabilidades (es decir, buenos

caudales de explotacin).

Suelen encontrarse en valles poblados

donde existe gran demanda de agua

para abastecimiento y usos agrcolas.

La conductividad hidrulica estcontrolada por la frecuencia de lasdiscontinuidades (fracturas en mediosgneos, estratificacin en mediossedimentarios), la interconexin dedichas discontinuidades y la zonificacinde su permeabilidad.

La presin o potencial de agua en unmacizo es independiente de lapermeabilidad pero define el gradientehidrulico y su piezometra. En estesentido, la anisotropa de la distribucinde la permeabilidad es muy importanteen la evaluacin del potencial del agua.


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Rocas y Agua

Porosidad Secundaria?Roca sedimentaria

Amazonas


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Rocas y Agua

Afloramiento de Calizas alcostado de la Laguna

Mamacocha - Cajamarca


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El agua subterrnea

El agua subterrnea ocurre en dos zonas:

Zona vadosa: Terreno que contiene agua y aire,comnmente referido como zona no saturada.Consta de tres partes: Zona de suelo, zona

intermedia y franja capilar. Zona saturada: Debajo de la zona vadosa y con

sus poros interconectados llenos de agua. Esta esla nica agua disponible para los pozos ymanantiales.

La recarga pasa por la zona vadosa antes de llegara la zona saturada.


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El agua subterrnea

La zona de suelo seextiende desde lasuperficie hasta unmximo de un metroy esta relacionadacon la profundidad deraces.


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El agua subterrnea

Dependiendo del tipode contaminacin sedefine la zona deinters.

Fuente: USGS


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Ciclo hidrolgico

El trmino refiere al constante movimiento delagua encima o debajo de la superficie.

Precipitacin puede darse en forma de lluvia,nieve o ambas. La forma tiene importancia en la

recarga. La infiltracin vara bastante dependiendo del uso

de suelo, humedad anterior, intensidad yduracin de la precipitacin.

Cuando la taza de precipitacin excede lainfiltracin, ocurre la escorrenta superficial.

La infiltracin se desplaza hacia abajo ylateralmente hacia sitios de descarga comobofedales, manantiales, lagos o cursos de agua.


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Ciclo hidrolgico

Nos concentraremos en el flujo subterrneo

Fuente: USGS


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Ciclo hidrolgico

Fuente: USGS

Balance hdrico y deenerga para zonas conacumulacin de nieve


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Ciclo hidrolgico

Variabilidad de la Precipitacin con la RecargaZona de estudio en la Patagonia Argentina


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Acuferos y Capas Confinantes

El nivel del agua en el pozo instalados sobre un acuferono confinado nos indica el nivel de la napa fretica.volveremos a este tema luego en la presentacin.

Fuente: USGS


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Parmetros Hidrulicos de

las Aguas Subterrneas


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Porosidad

Es la relacin entre el volumen de espacios vacos yel volumen total del suelo:

n =

=

Depende del tamao y forma de las partculas.


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Porosidad

Por ejemplo:


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Porosidad Total y Efectiva

Las partculas ms finas, bien ordenadas tienenmayor porosidad:


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Porosidad Total y Efectiva

A modo de ejemplo, las arcillas son las formaciones naturalescon una mayor porosidad total y sin embargo, con una menorporosidad eficaz. Ello provoca normalmente que desde elpunto de vista hidrogeolgico sean considerados medios conmuy poca capacidad de circulacin de agua, es decir, medios

poco permeables.

De ah su usonormalmente comobarrera o pantallahidrulica en

numerosos proyectos.(Ojo: No existe tantaarcilla como seespera)


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Porosidad efectiva

Relacin entre el volumen de poros interconectados,excluyendo los poros aislados, y el volumen total.

Esta porosidad es la que permitir el flujo del agua y aire.

Est asociada a la conductividad hidrulica:


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Tipos de Porosidad

Es aquella que se genera de forma conjunta a lasedimentacin o cristalizacin de los granos o minerales queforman el sedimento o la roca.

Es cuando se genera en la roca una segunda familia dehuecos, que puede superar en magnitud o no a la primaria.

La porosidad secundaria se produce por causas externas a losprocesos de sedimentacin de la unidad geolgica(fracturacin, disolucin y alteracin superficial o endgena,estratificacin producida durante la litificacin y otras).

R di i t fi


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Rendimiento especfico yRetencin especfica

: parte del agua que esdrenada por la gravedad.

parte del agua que sequeda atrapada entre las partculas slidas

Porosidad = Rendimiento + Retencinespecfico especfica


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Columnas y gradientes

Las columnas de agua nos permiten conocer la pendiente delagua, determinando la direccin del flujo de aguasubterrnea.


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La columna de agua total (ht)se determina con respecto alnivel de referencia (datum):

ht; consta de 3 componentes:

elevacin de la columna

columna de presin y

columna de velocidad;

siendo esta ltimainsignificante, ya que el flujode agua subterrnea seconsidera muy lento.


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:

Es la variacin de la altura de la columna de aguapor unidad de distancia entre 2 puntos de

medicin. Para la figura anterior se calculara de lasiguiente manera:

=10015 (9818)

780

=5

780


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Columnas y Gradientes

Para determinar el y lade agua subterrnea es

necesario la siguiente informacin:

1. La posicin geogrfica relativa de los pozos

2. La distancia entre los pozos

3. La altura de columna de agua de cada pozo


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Ejemplo de determinacin del gradiente hidrulico ydireccin de flujo

Se tiene lasiguienteinformacin:


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A. Identificar el pozocon columna de aguaintermedio.

B. Calcular la distanciaentre el pozo conmayor columna deagua y el que tiene lamenor, a la cul, seencuentre la misma

altura que el pozointermedio.


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C. Trazar una lnea rectaque una el puntodeterminado en b y elpozo intermedio.

D. Trazar una perpendiculara la lnea recta trazadaen c hacia el pozo demenor altura. (sta serla ).

E. El delsistema, corresponder algradiente entre el puntode la lnea de nivel y elpozo de menor altura.


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Ley de Darcy

Nos permite determinar la , la cul,depende del tamao y disposicin de los poros y fracturas;y las caractersticas dinmicas del fluido.

Esta definida por la siguiente expresin:

Donde:

Q = volumen de agua por unidad de tiempo

K = conductividad hidrulica A = rea transversal en la direccin del flujo

= gradiente hidrulico


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Conductividad hidrulica

Elementos que intervienen en la Ley de Darcy:


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Conductividad Hidrulica

Determina el coeficientede permeabilidad entrminos cuantitativos.

Podemos diferenciar

hasta 12 rdenes demagnitud en los valoresde conductividadhidrulica entre las rocas:


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Conductividad Hidrulica

Si la de la conductividad hidrulica es lamisma/diferente en distintas zonas en un rea determinada, sedice que el acufero es .

Si la de la conductividad hidrulica es lamisma/diferente en distintas zonas en un rea determinada, sedice que el acufero es .

No confundir con permeabilidad, que esta relacionado con elmedio poroso, mas no con el fluido.


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Sistema de Aguas

Subterrneas

Sistema de Aguas


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Sistema de AguasSubterrneas


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Sistema de Aguas Subterrneas

Ocurre en las zonasde cursos de agua y

en las llanurashmedas. (menorrea).

Se da de manera

continua.

Ocurre en las reasque se encuentran

entre los cursos deagua. (mayor rea).

Se da de maneraintermitente,

inmediatamentedespus de un eventode precipitacin.


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Acuferos

Un acufero es una formacin permeable capaz de almacenar y trasmitircantidades aprovechables de agua.

Aqul en el que el lmite de la zona saturada coincide con la interfasedonde empiezan los poros no saturados de agua, de forma que nuevosaportes de sta simplemente elevaran esta interfase a una nueva posicin

ms alta; o a la inversa, en el caso de extracciones de agua, la interfasedescendera a cotas inferiores.

La caracterstica de la superficie fretica es que lapresin que se aplica sobre ella es la atmosfrica(p = 1 atm).


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Acuferos

Cuando la superficie piezomtrica no coincida con la zonasaturada del terreno. En un contexto geolgico en que aparezcauna capa poco permeable de terreno (por ejemplo de rocacompacta, sin poros) que confina un acufero debajo del cual, asu vez, vuelve a haber un zcalo poco permeable.


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Acuferos

La presin que ejerce el agua sobre el techoimpermeable puede medirse por su equivalente dealtura, h, que alcanzara una columna de agua con

la base situada sobre dicho techo.


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Acuferos

Superficie piezomtrica de un acufero confinado enrelacin a su rea de recarga

Fuente: USGS


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Acuferos

Superficie piezomtrica de un acufero confinado enrelacin a su rea de recarga

Fuente: NGWA


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Acuferos

Superficie piezomtrica ylneas de flujo para unacuenca

Fuente: USGS


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Acuferos

Tiene un comportamiento muy similar al de un acufero confinado,con la diferencia que la capa semiconfinante no se comporta comoun acuicludo o un acufugo (materiales geolgicos queprcticamente no permiten el paso de agua a travs de ellos o queste paso es despreciable), si no que se trata de un tipo de

sedimento o macizo consolidado que, aunque con dificultad,permite un cierto flujo del agua Este flujo se produciren el sentido que indique el gradiente vertical de carga hidrulicaentre el acufero receptor (de mayor a menor potencial).


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Flujo No Saturado


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Capilaridad

La capilaridad es el ascenso del agua a travs desuperficies tubulares largas y de dimetro pequeo.Esta es producto de 2 fuerzas:

: Atraccin entre molculas de agua : Atraccin entre molculas de agua y

diferentes partculas slidas.

Altura aproximada de ascenso en materialesgranulares:


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Capilaridad


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Flujo No Saturado

El flujo continuo de una zona no saturada, puede sercalculado con la Ley de Darcy modificada (Heath,1983):

Q = Ke *A * (

hc z

z ) +/- (

dh

dl )

Q = volumen de agua por unidad de tiempoKe = conductividad hidrulica efectivaA = rea transversal

hc zz

= gradiente de capilaridad

dh

dl= gradiente hidrulico (gravitacional)


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Flujo No Saturado

Q = Ke *A * (

) +/- (

)

+/- se considera + para flujo hacia abajo, y para flujo hacia arriba.

Cuando el flujo es vertical el gradiente hidrulico =1

Cuando el flujo es horizontal el gradientehidrulico se considera = 0.


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Flujo No Saturado

El gradiente decapilaridad se puede

determinar con lasmediciones de lapresin hidrulica deun tensimetro.


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Flujo no saturado

Tensimetro 1 Tensimetro 2

ht = z + hp

ht = 32 + (-1) = 31

ht = z + hp

ht = 28 + (-2) = 26

El gradiente combinado de la capilaridad ygravitacional es igual a la diferencia entrecolumnas de agua dividido entre la distancia de

los tensimetros (Heath, 1983 ):

hL

L=

31 26

32 28=

5

4= 1.25


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Flujo no saturado

Como la columna de agua del tensimetro 1 esmayor a la del tensimetro 2, entonces esverticalmente hacia abajo. Por lo que el gradientedebido a la gravedad es 1.

Entonces,

1.25 = gradiente de + gradiente de

gravedad capilaridad

1.25 = 1 + gradiente decapilaridad

Gradiente de capilaridad = 0.25


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Flujo No Saturado

Relacin entre laconductividad

hidrulica saturada(K) y laconductividadhidrulica en flujo

no saturado (Ke).


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Estratificacin

Los sedimentos sondepositados en capas quetienen diferentes tamaode partculas, disposicin ycomposicin mineral.

Las diferencias en estascaractersticas entre lascapas, hace que tengan

diferente conductividadhidrulica, afectando lapercolacin y elmovimiento del agua atravs de la zona nosaturada.


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Flujo Saturado


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Flujo saturado

En el flujo saturado todos los porosinterconectados estn llenos de agua. Yla direccin del movimiento del flujo estregido por el gradiente hidrulico.

El flujo es predominantemente ,caracterstico de los depsitos granularesy fracturas de las rocas. Flujo turbulentoslo ocurre en medios con grandesaberturas como gravas, flujo de lava y

cavernas krsticas.

Las lneas de corriente convergen encuellos estrechos entre las partculas, ydivergen en intersticios grandes.


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Dispersin

En el flujo saturado, existe una dispersin longitudinal en ladireccin del flujo.

Daniel (1953) encontr inyectando colorante en un mediohomogneo e isotrpico, que el fluido se dispersabalateralmente con un ngulo de espesor de 6.

Debido a que la dispersin es longitudinal y transversal, laconcentracin del fluido decrece en direccin del flujo.


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Dispersin

El efecto de la dispersin longitudinal, tambin sepuede observar en el cambio de la concentracin enel flujo hacia abajo: al principio el cambio en laconcentracin inicial (Co) es acelerado hasta que la

concentracin alcanza 0.7Co, a partir de este nivel,el cambio en la concentracin empieza a disminuir.


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Dispersin

Conocer la dispersin es muy importante en losestudios de contaminacin de aguas subterrneas;sin embargo, es difcil medirla en campo, porque latasa y direccin del movimiento tambin estafectado por la estratificacin, intercambio inico,filtracin, entre otras condiciones y procesos.

Dispersin real

Estos factores de los acuferos y capas confinantes,provocan una

a la propuesta por Daniel (1953) para unmedio homogneo e isotrpico.


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Topografa

Para determinar la altura del nivelfretico y la direccin de movimiento delas aguas subterrneas, es necesariodeterminar la altura encima del nivel dereferencia (datum).

La observacin de la topografa y de lascaractersticas de relieve brindaninformacin valiosa acerca de ladistribucin de las aguas subterrneas.

Redes de Flujo de Agua


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j gSubterrnea

Existen 2 grupos de lneas:

: conectan puntos con igualcolumna de agua y representan la altura de la napafretica.

describen los patrones demovimiento en un acufero.

Como la direccin del movimiento resulta delgradiente hidrulico; las lneas de flujo sonperpendiculares a las lneas equipotenciales.



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j gSubterrnea

Las lneas equipotencialesy de flujo son infinitaspero para motivos de

anlisis son representadasalgunas de ellas formandocuadrados.



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j gSubterrnea

De acuerdo a la Ley de Darcy, el flujo en los cuadrados es:

q = K * b * w (

)

El flujo total de todos los cuadrados es:

Q = n * q

K : conductividad hidrulicab : espesor del acufero en el puntomedio entre las lneas equipotenciales.w : distancia entre las lneas de flujodh : diferencia de columnas de aguaentre las lneas equipotencialesdl : distancia entre las lneasequipotenciales.n : nmero de cuadrados

R d d Fl j d A S bt


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Redes de Flujo de Agua Subterrnea

descarga descarga

recarga

Si perforamos un pozo en:

La : mientras ms profundo, el nivel delagua estar ms bajo que el nivel de la superficie.

El mientras ms profundo, el niveldel agua estar ms arriba del nivel de la superficie.



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j gSubterrnea

Aguas arriba se gana agua o el

agua drena los cursos de agua.Las lneas de flujo tienen formade V.

Aguas abajo se pierde agua oel curso de agua aporta a lasaguas subterrneas. Las lneas

de flujo tienen forma de ^.


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Flujo y Estratificacin

Los sistemas de agua subterrnea incluyen acuferos y capasconfinantes. Y el flujo no slo ocurre al interior de los acuferos,sino tambin a travs de las capas confinantes.

Como:

K acuferos >>> K capas confinantes

Los acuferos tienen menor resistencia al flujo, por lo tanto, la

disminucin de la columna de agua por unidad de distancia escientos de veces menor a la que ocurre en capas confinantes.


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Estratificacin

Como consecuencia el flujo lateral en capasconfinantes es insignificante y las lneas de flujotienden a concentrarse en los acuferos, siendoparalelas a los bordes de los mismos.


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Estratificacin

Las diferencias enconductividad hidrulicaentre los acuferos y capasconfinantes, causanrefracciones en las lneas deflujo en los bordes.

Los ngulos de refraccindel flujo son proporcionalesa la conductividad hidrulica

de la capa:

Tan 1Tan 2

=K1

K2


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Velocidad de Flujo

Conocer la velocidad del flujo de agua subterrnea esimportante sobretodo cuando se tocan temas decontaminacin.

Se puede deducir de la Ley de Darcy (1) y la ecuacin dela velocidad (2) en hidrulica:

Q = K*A*(

).(1)

Q = A * v.......(2)

(

)

V l id d d Fl j


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Velocidad de Flujo

Para que esta expresin se aplique al flujo de aguasubterrneas, es necesario aadir el trmino deporosidad (n).

v =

(

)

K = 60 m/d (7*10-4m/s)

dh/dl = 1m/1000mn= 0.2

K = 0.0001

dh/dl = 1m/10m

n = 0.5

V l id d d fl j


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Velocidad de flujo

El movimiento enacuferos noconfinados no estalimitado a la zonadebajo de la napafretica, la franja

capilar est sujetatambin al gradientehidrulico y se mueveen la misma direccinque el flujosubterrneo.

En la franja capilar elmovimiento es cero enel tope de la franja.


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Transmisividad

Es la capacidad del acufero para transmitir el agua.

Su expresin est dada por:

T = K * b

T = transmisividad

K = conductividad hidrulica

b = espesor del acufero

Transmisividad


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Transmisividad

La anterior expresin, combinada con la Ley de Darcy,resulta:

Q = T * w * (

)

Ejm:

Q =5000 *1000 *1

1000

Q = 5000 m3/da


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Transmisividad

Despejando T, obtenemos:

T =

*

La transmisividad se puede

calcular, con los datos dedescarga de las estacioneshidrolgicas.

T =5616

5000*

2000

1

K = T/bK =2246/50

Descarga de lamitad del acufero(un lado de lacorriente) = 5616 m3/d

=2.355 m3/s

=2.485 m3/s= 5000m

dh/dl = 1m/2000m

= 50m

Coeficiente deAl i t


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Almacenamiento

Es el volumen de agua que entra o sale al medioporoso, por unidad de rea del acufero y por unidadde cambio en la columna de agua:

S =

Coeficiente del i t


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almacenamiento

Acufero ConfinadoLa capa confinante essoportada, una parte, por laspartculas slidas, y otra parte,por la presin hidrulicaejercida por el agua.

Cuando la presin hidrulicadecae, y ms carga debe sersoportada por las partculasslidas, stas se deforman y el

espacio poroso es reducido(compresin del acufero).

El trmino para acuferosconfinados es almacenamientoespecfico (Ss).



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Almacenamiento

Acufero No ConfinadoEl agua de almacenamiento provieneprincipalmente de la fuerza de gravedaddel drenaje de los sedimentos. El

volumen de agua llevado por laexpansin del agua y compresin delacufero es insignificante.

Por lo tanto, el coeficiente dealmacenamiento es igual al rendimientoespecfico (Sy).



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Almacenamiento

0.1 < S < 0.3 10-5 < S < 10-3

C d D i


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Cono de Depresin

Cuando se extrae agua de los pozos, el nivel delagua empieza a bajar. El flujo de agua del acufero alpozo incrementa hasta que se iguale a la velocidad

de salida del agua del pozo.

El movimiento del agua del acufero hacia el pozo,resulta en la formacin del cono de depresin. As

pues, el flujo converge de todas las direcciones, elrea de flujo hacia el pozo es ms pequea por loque el gradiente hidrulico aumenta.

C d D i


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Cono de Depresin

Acufero no confinado Acufero confinado

C d D i


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Cono de Depresin

Acufero no confinado:

La salida del agua esresultado del drenaje deagua de las rocas. El nivelde la napa freticadesciende conforme elcono de depresin se

forma.

El cono de depresin seexpande muy lentamente.

C d D i


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Acufero confinado:

La salida del agua provocauna disminucin en lapresin artesiana, sinembargo no decrece eldrenaje de agua.

Es resultado de laexpansin del agua y la

compresin del acufero.

El cono de depresin seexpande rpidamente.0

Cono de Depresin


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