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Hidrología y propiedades físicas
del agua subterránea
(SEMANA 1)
Ing. Silvia Hinostroza
silvia.smeets@gmail.com
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
UNIDAD DE POSTGRADO FIGMM UNI
MAESTRIA EN MINERIA Y MEDIOAMBIENTE
MEM-205 HIDROGEOLOGIA
INFORMACION DEL CURSO
• PROFESOR: SILVIA MILAGROS HINOSTROZA GARCIA
• CORREO: silvia.smeets@gmail.com
• AULA:
• HORARIO: SABADO 11 AM – 2 PM
• TEXTO:
• Charles R. Fitts, 2002, Groundwater Science, Elsevier science
• Franklin Schwartz/Hubao Zhang, 2003, Fundamentals of Groundwater, Ohio State University, John Wiley &
Sons.
• C.W. Fetter, 1994, Applied Hydrogeology, third edition, University of Wisconsin, Macmillan College
Publishing Company.
• David K. Todd, Larry W. Mays, 2005, Groundwater Hydrology, University of California, Wiley
• E. Custodio/M.R. Llamas, 1976, Hidrología Subterránea, segunda edición, Ediciones Omega.
• Jacquell B. Deleur, 2007, The handbook of groundwater engineering, second edition, CRC Press
HIDROGEOLOGIA
• «La hidrogeología es la ciencia que estudia:
• El origen y la formación de las aguas subterráneas,
• Las formas de yacimiento, su difusión, movimiento, régimen y reservas,
• Su interacción con los suelos y rocas,
• Su estado (líquido, sólido y gaseoso) y propiedades (físicas, químicas,
bacteriológicas y radiactivas);
• Las condiciones que determinan las medidas de su aprovechamiento,
regulación y evacuación»
• (Mijailov, L. 1985. Hidrogeología. Editorial Mir. Moscú, Rusia. 285 p)
• https://es.wikipedia.org/wiki/Hidrogeología
PROGRAMACION DEL CURSO
CURSO DE MEM 205 - HIDROGEOLOGIA - 2016
SEMANA FECHA TEMA
1 16 Abril Hidrología y Propiedades Físicas del agua subterránea
2 23 Abril Propiedades del acuífero
3 30 Abril Principios del Flujo de agua Subterránea – Parte 1
4 7 Mayo Principios del Flujo de agua Subterránea – Parte 2
5 14 Mayo Pruebas de bombeo en acuíferos confinados
6 21 Mayo Pruebas de bombeo en acuíferos no confinados
7 28 Mayo Examen 1
8 4 junio Acuífero semiconfinado y pozos parcialmente penetrantes
9 11 junio Ensayos slug, escalonados e intermitentes
10 18 Junio Acuíferos superpuestos y limitados
11 25 Junio Pozos de agua
12 2 Julio Química y contaminación del agua subterránea
13 9 Julio Contaminación e introducción al modelamiento del agua subterránea
16 Julio Examen 2
PROGRAMACION DE LOS EXAMENES Y PRACTICAS
• EXAMEN 1 (20%), EXAMEN 2 (40%) Y 8 PRACTICAS EN CASA (40%)
CURSO DE MEM 205 - HIDROGEOLOGIA– 2016
SEMANA PRACTICA FECHA FECHA DE ENTREGA MAX (14:00 pm) PESO PUNTAJE
1
2 1 23 abril 30 abril 5% 1
3 2 30 abril 7 Mayo 5% 1
4 3 7 Mayo 14 Mayo 5% 1
5 4 14 Mayo 21 Mayo 5% 1
7 28 Mayo EXAMEN 1 20% 4
8 5 4 Junio 11 Junio 5% 1
9 6 11 Junio 18 Junio 5% 1
10 7 18 Junio 25 Junio 5% 1
11 8 25 Junio 2 Julio 5% 1
14 16 Julio EXAMEN 2 40% 8
PUNTAJE TOTAL : 20 PUNTOS (100%) 100% 20
HORARIO Y CONTENIDO DEL CURSO
1 HIDROLOGIA Y PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA SUBTERRANEA (SEMANA 1)
1.1 Introducción, Reservorios globales de agua.
1.1 Proceso hidrológico en la superficie de la tierra. Precipitación, Evaporación,
Infiltración y recarga, descarga de agua hacia cuerpos de agua, bombeo.
1.3 Balance Hidrológico
1.4 Propiedades Físicas del agua: densidad, compresibilidad, viscosidad, tensión
superficial y capilaridad.
1.5 Propiedades físicas del aire y medio poroso. Porosidad y vacío. Tamaño de la
partícula de suelo. Contenido volumétrico del agua y densidad aparente.
1.6 Energía y altura piezométrica. Hidrostática.
1.7 Medición del nivel piezométrico en pozos y piezómetros.
OBJETIVO
• DESPUÉS DEL CAPITULO 1, EL ALUMNO DEBE SER CAPAZ DE:
• Tener conocimiento sobre el Balance Hídrico de una cuenca
(Superficial y Subterráneo) y las variables que participan en su
cálculo.
• Desarrollar entendimiento sobre las propiedades físicas del agua y
medio poroso.
• Describir y calcular el nivel o altura piezométrica en un piezómetro
1.1.1 INTRODUCCION
• El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre.
• Su propiedad mas importante: DISOLVENTE
• El agua es el elixir de la vida, sin agua nada es posible.
• Las civilizaciones florecen cuando el abastecimiento de agua es posible.
• Persona: 3 lt/dia de agua potable ( líquidos del cuerpo)
• Consumo doméstico básico: 50lt/hab/día (OMS)
• Lima 2013: 170 lt/hab/día VOLUMEN DE AGUA EN EL
PLANETA: 1.4 x 109 Km3
OCEANOS
97%
AGUA FRESCA
3%
AGUA SUBTERRANEA
30.1%
1.1.2 RESERVORIOS GLOBALES
• El agua fresca subterránea es 100 veces mas abundante que el agua fresca superficial.
• Reservas de agua Perú: 1,953km3/año. (posición 8, 2013)
• Fuente: http://www.cartafinanciera.com/uncategorized/los-10-paises-con-mas-reservas-de-agua-del-mundo/
1.1.3 ACUIFEROS EN EL MUNDO
• Areniscas de Nubia: 150,000 km3
• Gran Cuenca Artesiana: 64,900 km3
• Acuífero Guaraní: 37,000 Km3
1.2.1 PROCESO HIDROLÓGICO
• Ciclo Hidrológico: proceso de circulación del agua en la troposfera de la tierra.
• La cantidad total de agua es constante.
• Más agua atmosférica fluye de los océanos hacia la superficie que visceversa.
CICLO HIDROLOGICOGLOBAL
():flujostotales x 1000 Km3/año
(fuente: Maidment 1993)
Superficie terrestre:
Precipitacion > evapotranspiración
Océanos:
Precipitación < evaporación
1 molécula de agua
@100 años:
98 años en el océano.
1.5 años como hielo
1 mes lagos y ríos
<1 semana atmósfera
1.2.2 PRECIPITACION
• Formas: Líquida o sólida: lluvia, granizado, nieve.
• Instrumentos de medición:
• Pluviómetro: tradicionales (nivel de agua caída), digitales
(lluvia acumulada, temperatura)
• Lugares mas lluviosos:
• Nor-este India (colinas Kashi) :11,871mm/anual
• Aldea Puerto Lopez (Colombia): 12,892mm/anual
• Lugar mas lluvioso Perú:Quincemil (Cuzco):7,354mm/anual
• Método de cálculos:
• Media aritmética
• Polígono de Thiessen
• Curvas Isoyetas
1.2.3 PRECIPITACION – Método de cálculo
• Media Aritmetica:
1
: Precipitación promedio del área; : Número de estaciones en el área; : Precipitación en la estación i
• Polígono Thiessen:
• Se une con una línea las estaciones adyacentes.
• Se traza la mediatriz de cada línea.
• Define el polígono alrededor de la estación.
• Calculo del área del polígono.
∑
∑
: área del polígono alrededor de la estación i
1.2.3 PRECIPITACION – Método de cálculo
• Curvas Isoyetas:
• Dibujo de isoyetas (computarizado).
• Hallar el área entre isoyetas.
• Calculo de precipitación promedio entre dos isoyetas adyacentes.
∑
∑
: Precipitación promedio del área entre dos curvas adyacentes; : Número de contorno de curva;
: Área entre dos curvas.
1.2.4 EVAPORACION
• Cantidad de agua que se pierde de superficies libres de agua (ríos, lagos.)
• Evaporación Máxima: 4,000 mm/año
• Instrumento de medición: Evaporímetro
• Modelos de evaporímetros:
• Depósitos sobre el suelo (tanques clase A), enterrados, flotantes
• De Balanza (Evaporímetro de Wild)
• Porcelana Porosa
• Superficies de papel húmedo (Evaporímetro Piché)
• Factor de corrección:
• Evaporación Real= 0.7 Evaporación de Depósitos
• 0.8 Evaporación Piche= Evaporación del Tanque Flotante
1.2.4 EVAPORACION-Método de cálculo
• Métodos de cálculos:
• Fórmulas Empíricas:
• Fórmula de Meyer • Fórmula de Lugeon
1.2.5 TRANSPIRACION
• Transpiración: pérdida de agua por las plantas.
Este proceso se realiza principalmente por las
estomas o poros de la epidermis del vegetal.
• Instrumentos:
• Lisímetros: báscula cubierta por un área
experimental (suelo-vegetal). Controla el cambio de
peso que cuantifica la pérdida por vapor.
• Potómetro
• Parcelas de experimentación
• Cuanto más seca sea la atmósfera mayor es la
transpiración
• Evaporación de suelos sin cubierta: usa los
lisímetros pero la cubierta es solo suelo
A: Terreno en estudio
B: Balanza
C: Recolección de agua de drenaje
D: Recolección de agua de escorrentía
1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION
• Evapotranspiración: Proceso combinado que se dá para
terrenos con vegetales, comprende:
Evaporación directa (suelo) +Transpiración (plantas)
• Evapotranspiración o Evaporación Potencial (ETP):
Evaporación cuando toda la superficie esta saturada y
no hay restricciones de humedad. (Thornthwaite)
• Evapotranspiración de Referencia (ETo):
Evapotranspiración para un cultivo específico (césped,
maíz, etc)
1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION-Método de cálculo
• Método the Thornthwaite:
: ! "ó$ %& '( )
1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION-Método de cálculo
• Método the Hargreaves: Radiación Extraterrestre (mm/día)
1.2.7 INFILTRACION
• Infiltración: Cantidad de agua que penetra a través de los poros del suelo.
• Instrumento de medición:
• Infiltró metro de carga constante (doble anillo)
• Simuladores de lluvia (boquilla
1.2.8 ESCORRENTIA
• Escorrentía: Cantidad de agua que circula sobre la superficie del terreno, es la
precipitación menos la infiltración y retención superficial.
• Aportación de la cuenca se representa en el hidrograma (nivel agua rio-tiempo)
para una misma sección.
• Método de aforo:
• Medir caudales de río, para construir el hidrógrama.
• Relación Sección-pendiente:
información topográfica, marca de avenidas.
• Relación Sección-Velocidad:
sección típica, medir velocidad.
• Sección de control:
Instala un aforador permanente.
1.2.8 ESCORRENTIA-Cálculo
• Método de la Curva N: La lámina de escorrentía está definida como:
y
E: Lámina de escorrentía (mm).
N: Número de curva determinada por tablas (depende tipo, uso de suelo) .
S: Diferencia máxima potencial entre lluvia y escorrentía (mm)
P: Lámina de precipitación (mm)
• .Método de la fórmula Racional
1.2.9 DESCARGA SUBTERRÁNEA
• Infiltración descarga subterráneamente:
• Capa superficial suelo: agua escurre horizontalmente (interflujo)
• Capa profunda suelo: llega hasta el acuífero y migra hacia lagunas, quebradas,
riachuelos y manantiales. (Flujo de base)
• Interflujo es temporal. Aparece y desaparece con la tormenta.
• Flujo de base es estacionario y alimenta en periodos secos los ríos, quebradas,etc.
• Climas húmedos existe descarga de zonas saturadas hacia fuentes de agua.
• Climas áridos las fuentes de agua descargan hacia el sub-suelo
Fuentes de aguas
ganadoras
(efluente)
Fuentes de aguas
perdedoras
(influente)
1.2.9 DESCARGA SUBTERRÁNEA-Flujo de base
• Hidrógrama con un evento de precipitación.
• Separar del flujo total el flujo base y rápido
• Flujo rápido se desvanece después de la
precipitación, con una función de declive
exponencial, esta porción se llama curva de
recesión .
Flujo total Flujo base Flujo rápido
1.2.10 BOMBEO
• Pozos de bombeo extraen el agua
subterránea descargando en otras cuencas.
• Grandes flujos de bombeo para irrigación
deprimen la napa freática y generan más
evaporación.
• Proceso inverso se inyecta agua para
recargar el agua subterránea.
1.3.1 BALANCE HIDROGEOLÓGICO
• Conservación de masa de entradas y salidas de flujos en la cuenca.
Tasa de cambio de almacenamiento = Flujo Entra - Flujo Sale
ΔS: Variación del almacenamiento
P: Precipitación directa sobre la cuenca
Qimp: Flujo importado a la cuenca
Racuif: Recarga subterránea del acuífero
Evt: Evapotranspiración
Ev: Evaporación de espejos de agua
Qqb: Flujo de la quebrada
Qexp: Flujo exportado desde la cuenca
Qbomb: Caudal bombeado desde la cuenca
Dacuif: Descarga subterránea del acuífero
1.3.2 BALANCE HIDROGEOLÓGICO- en el tiempo
• Balance hídrico en estado estable: cuando los flujos de las cuencas no son
alterados por largo tiempo: ∆+ 0
• Balance hídrico en estado inestable: ocurre inmediatamente después se inicia el
bombeo de agua subterránea : -' .' > 0 → ∆+ < 0
• Retorno a un balance hídrico estable: después de un largo tiempo de mantener
-' .' $2 $
• Cuando el bombeo es tan alto el nuevo balance hídrico estable no puede
formarse.
Flujo Entra = Flujo Sale
Reduce el volumen de almacenamiento y el nivel de agua decrece
Nivel de agua se estabiliza, otros flujos se ven afectados en este nuevo equilibrio.
1.3.3 EJERCICIO- Propuesta
• Se tiene un reservorio con una arroyo que lo abastece, una salida en el dique y
una superficie de 2.5 km2. No ha llovido por semanas y el nivel del reservorio ha
bajado con una tasa de 3.0 mm/dia. El promedio de la tasa de evaporación de la
superficie del reservorio es 1.2 mm/día, la descarga de entrada es 10,000 m3/día
y la descarga de salida es 16,000 m3/día. Asumiendo que los unicos flujos
adicionales e importantes son las descargas de entrada y salida de agua
subterránea del reservorio, ¿cual es el cambio neto de descarga de agua
subterránea en el reservorio?
1.3.3 EJERCICIO- Solución
• Flujos de entrada: Descarga de entrada del arroyo (I), descarga neta de agua
subterránea (G).
• Flujos de salida: Descarga de salida del reservorio (G), Evaporación de la
superficie del agua (E).
1.4.1 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA
• Las propiedades físicas del agua están basadas en las interacciones a nivel
molecular
• La molécula de oxígeno esta enlazada a los hidrógenos asimeétricamente (1050)
• Moléculas de agua son polares
• Carga positiva alrededor de los hidrógenos
• Carga negativa alrededor del oxígeno.
• Propiedad disolvente
1.4.2 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA
Densidad y compresibilidad
• Densidad 34 : varía entre 0.998-1 g/cm3 para temperaturas 0 -20 0C.
• Compresibilidad: agua es considerada incompresible, pero tiene compresibilidad.
5: compresibilidad isotérmica del agua
! : incremento de presión
!34: cambio en la densidad por la presión
!6
4: cambio en el volumen por la presión
1.4.2 EJERCICIO
• Calcular la densidad del agua al pie de un pozo de 500m de profundidad.
Asumir 34 1000 78 .9
⁄ y 0 en la parte superior del pozo,
temperatura del agua 10;, compresibilidad térmica del agua 5 4.5
10 ?
.@⁄ .
• Solucion:
• La Presión al pie del pozo:
• La presión en la parte superior del pozo es cero → ! 4.905 10B
.@
⁄
• La variación de densidad es:
• La densidad en la base del pozo:
34 1002.3 78 .9
⁄
1.4.3 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA
Viscosidad
• Es la fricción dentro de un fluido debido a los esfuerzos de atracción entre
moléculas.
• Viscosidad dinámica: E
μ = 1.79×10−3 N·sec/m2 ( 0◦C )
μ = 1.01 × 10−3 N·sec/m2 ( 20◦C )
Unidad: poise=1 g/sec·cm= 10−3 N·sec/m2
• Viscosidad cinemática:&
3: densidad del agua
• Esta resistencia de esfuerzos cortantes internos ocasiona que el agua se resista a
fluir dentro de algunos materiales geológicos.
1.4.4 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA
Tensión superficial y capilaridad
• Tensión superficial: es la atracción entre la superficie del agua con otro cuerpo
debido a la cohesión que tienen las moléculas entre sí por la polaridad.
• La gotas de agua tienden a formar esferas en el aire (cohesión interna)
• En los poros el agua moja el mineral y deja espacios vacíos.
• Una capa de moléculas de agua= 0.1-0.5 µm (10-6 m) es atraído por el mineral, no se mueve
• Espesor capa > 0.1-0.5 µm (10-6 m) no atracción, el agua se mueve
• Capilaridad: debido a la tensión superficial el agua cubre la
superficie del mineral, el agua se tensiona y la presión del
agua es menor a la presión del aire en los poros.
• La atracción en el mineral se hace mayor.
• Se forma una lámina alrededor del grano del mineral
• Los poros se mojan mas allá del nivel de agua.
1.5.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
• Presión del aire varía con el clima en 5%
• Presión al nivel del mar es: 1.013×105 N/m2, 1.0 atm (atmósfera), 1.013 bar, 14.7
lb/in2, 760 mm Hg o 10.33 m.c. de agua.
• Presión atmosférica decrese 15% con la altura (nivel del mar).
• Presión manométrica : Presión en exceso sobre la presión atmosférica
• Presión del agua subterránea se lee en presión manométrica.
• Ejemplo: Presión manométrica= 35,000 N/m2 es equivalente a una presión
absoluta= 1.013×105 N/m2 + 35,000 N/m2 = 1.36×105 N/m2
Presión manométrica= Presión absoluta - Presión atmosférica
1.5.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO
Porosidad y vacíos
• Porosidad: 0<n<1
• Relación de vacíos:
• Relación de vacíos y porosidad:
1.5.2 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO
porosidad primaria y secundaria
• Porosidad Primaria e intergranular: se debe al suelo
o matriz de roca, los poros están conectados en
gran cantidad (arenas, gravas, limos, porosas
areniscas). Alta y baja porosidad (diversidad de
tamaño de los granos de suelo)
• Porosidad Secundaria: se debe a la disolución de
minerales en la roca, fracturas. (rocas cristalinas,
carbonatos)
• Algunos minerales tienen poros internos, cerrados
que no conectan a los poros principales, no forman
parte del volumen de vacios
1.5.3 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO
Tamaño de la partícula
• La distribución de tamaño de la partícula determina tamaño del poro y la facilidad
del agua para moverse a través de él.
1.5.4 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO
Contenido volumétrico y densidad aparente
• Contenido volumétrico de agua %F): Fracción de espacio ocupado por el agua en
un volumen dado de material.
• Densidad seca aparente %3G):
• Densidad total aparente %3H) :
• Densidad de sólidos %3I):
1.6.1 Energía y altura piezométrica
• Agua fluye de un lugar a otro debido a las diferencias de energía mecánica.
• Se mueve de una región mayor energía mecánica hacia una menor.
• Energía mecánica :
• Ecuación de Bernoulli para fluidos incompresibles:
Energía mecánica= E. potencial elástica + E. potencial gravitacional + E. Cinética
P: presión
V: Volumen
M: masa
Z: elevación
v: velocidad
1.6.2 Energía y altura piezométrica
• Energía mecánica por masa de agua :
• Energía mecánica por peso de agua:
• El agua siempre fluye hacia zonas de baja altura piezométrica
P: presión
V: Volumen
M: masa
Z: elevación
v: velocidad
34: densidad del agua
g: gravedad
Nivel piezométrico = Altura de presiones + elevación+ altura de velocidad
1.6.3. HIDROSTÁTICA
• Condición hidrostática se dá en regiones donde no hay movimiento de
agua (velocidad=0) , es decir la altura piezométrica es constante.
• El agua dentro de un pozo sin bombear, lago.
• En la superficie del pozo y lago se cumple: Presión=0, h=Z (altura
piezométrica= elevación).
• La presión varía con la profundidad:
1.7.1. MEDICION DEL NIVEL PIEZOMETRICO EN
POZOS Y PIEZÓMETROS
• El nivel piezométrico en los poros de agua de una
zona saturada se mide con piezómetros .
• Piezómetro: es un tubo de diámetro pequeño
abierto en la parte superior (presión atmosférica) y
ranurado en la parte inferior (ingreso de agua).
• Las medidas son válidas para la zona alrededor de
la zona perforada.
• El pozo es un tubo de mayor diámetro.
• Piezómetros instalados en materiales de baja
conductividad hidráulica no reportan el nivel
hidráulico de la zona (velocidad lenta del flujo).
1.7.2 MEDICION DEL NIVEL PIEZOMETRICO EN
POZOS Y PIEZÓMETROS-Lectores de presiones
• En materiales de baja conductividad hidráulica
usar piezómetros de diámetro pequeño.
• Lectores o traductores de presiones: instrumentos
electrónico o neumáticos que se instalan dentro
de un piezómetro de sección pequeña.
• Lecturas sensibles a la desviación que se produce
en la membrana debido al cambio de presiones
(presión atmosférica-presión de poros).
Z: nivel de instalación
del traducer respecto
del datum
1.7.3 EJEMPLO
• Calcular el nivel piezómetrico o
hidráulico en los piezómetros A y B.
• Presión en la base de los mismos
piezómetros
• El agua subterránea alrededor de
estos piezómetros tiene componente
hacia arriba o hacia abajo.?
• Nota:
• TOC: Cota superior del casing o tubería de
revestimiento del piezómetro.
• BOC: Cota inferior del piezómetro.
• Profundidad del agua medida desde la cota
superior del casing o tubería de revestimiento.
1.7.3 EJEMPLO: Solución
• La altura piezométrica o el nivel piezométrico en cualquier piezómetro es la elevación del
nivel de agua. Estará definida por:
• ℎK 476.93 − 2.18 = 474.75.
• ℎP = 477.67 − 3.44 = 474.23.
• La Presión en la base del piezómetro A se calcula:
• El altura piezométrica de cada piezómetro describe la altura piezométrica del acuífero
ubicado en los alrededores de la base del piezómetro.
• Como ℎK − ℎP , el agua tiende a moverse desde la base del piezómetro A hacia la base
del piezómetro B. Hay una componente del agua subterránea dirigida hacia abajo en los
alrededores de estos piezómetros.
Altura piezométrica= Cota superior del casing – Profundidad del agua.
ℎ = QR − ST$!"! ! ! ( 8T
K = ℎK − UK 38 = 474.75 − 470.92 9810 .9
⁄ = 37, 572 N/m2
P = ℎP − UP 38 = 474.23 − 455.16 9810 .9
⁄ = 187, 077 N/m2

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Hidrología y propiedades físicas del agua subterránea

  • 1. Hidrología y propiedades físicas del agua subterránea (SEMANA 1) Ing. Silvia Hinostroza silvia.smeets@gmail.com UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA UNIDAD DE POSTGRADO FIGMM UNI MAESTRIA EN MINERIA Y MEDIOAMBIENTE MEM-205 HIDROGEOLOGIA
  • 2. INFORMACION DEL CURSO • PROFESOR: SILVIA MILAGROS HINOSTROZA GARCIA • CORREO: silvia.smeets@gmail.com • AULA: • HORARIO: SABADO 11 AM – 2 PM • TEXTO: • Charles R. Fitts, 2002, Groundwater Science, Elsevier science • Franklin Schwartz/Hubao Zhang, 2003, Fundamentals of Groundwater, Ohio State University, John Wiley & Sons. • C.W. Fetter, 1994, Applied Hydrogeology, third edition, University of Wisconsin, Macmillan College Publishing Company. • David K. Todd, Larry W. Mays, 2005, Groundwater Hydrology, University of California, Wiley • E. Custodio/M.R. Llamas, 1976, Hidrología Subterránea, segunda edición, Ediciones Omega. • Jacquell B. Deleur, 2007, The handbook of groundwater engineering, second edition, CRC Press
  • 3. HIDROGEOLOGIA • «La hidrogeología es la ciencia que estudia: • El origen y la formación de las aguas subterráneas, • Las formas de yacimiento, su difusión, movimiento, régimen y reservas, • Su interacción con los suelos y rocas, • Su estado (líquido, sólido y gaseoso) y propiedades (físicas, químicas, bacteriológicas y radiactivas); • Las condiciones que determinan las medidas de su aprovechamiento, regulación y evacuación» • (Mijailov, L. 1985. Hidrogeología. Editorial Mir. Moscú, Rusia. 285 p) • https://es.wikipedia.org/wiki/Hidrogeología
  • 4. PROGRAMACION DEL CURSO CURSO DE MEM 205 - HIDROGEOLOGIA - 2016 SEMANA FECHA TEMA 1 16 Abril Hidrología y Propiedades Físicas del agua subterránea 2 23 Abril Propiedades del acuífero 3 30 Abril Principios del Flujo de agua Subterránea – Parte 1 4 7 Mayo Principios del Flujo de agua Subterránea – Parte 2 5 14 Mayo Pruebas de bombeo en acuíferos confinados 6 21 Mayo Pruebas de bombeo en acuíferos no confinados 7 28 Mayo Examen 1 8 4 junio Acuífero semiconfinado y pozos parcialmente penetrantes 9 11 junio Ensayos slug, escalonados e intermitentes 10 18 Junio Acuíferos superpuestos y limitados 11 25 Junio Pozos de agua 12 2 Julio Química y contaminación del agua subterránea 13 9 Julio Contaminación e introducción al modelamiento del agua subterránea 16 Julio Examen 2
  • 5. PROGRAMACION DE LOS EXAMENES Y PRACTICAS • EXAMEN 1 (20%), EXAMEN 2 (40%) Y 8 PRACTICAS EN CASA (40%) CURSO DE MEM 205 - HIDROGEOLOGIA– 2016 SEMANA PRACTICA FECHA FECHA DE ENTREGA MAX (14:00 pm) PESO PUNTAJE 1 2 1 23 abril 30 abril 5% 1 3 2 30 abril 7 Mayo 5% 1 4 3 7 Mayo 14 Mayo 5% 1 5 4 14 Mayo 21 Mayo 5% 1 7 28 Mayo EXAMEN 1 20% 4 8 5 4 Junio 11 Junio 5% 1 9 6 11 Junio 18 Junio 5% 1 10 7 18 Junio 25 Junio 5% 1 11 8 25 Junio 2 Julio 5% 1 14 16 Julio EXAMEN 2 40% 8 PUNTAJE TOTAL : 20 PUNTOS (100%) 100% 20
  • 6. HORARIO Y CONTENIDO DEL CURSO 1 HIDROLOGIA Y PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA SUBTERRANEA (SEMANA 1) 1.1 Introducción, Reservorios globales de agua. 1.1 Proceso hidrológico en la superficie de la tierra. Precipitación, Evaporación, Infiltración y recarga, descarga de agua hacia cuerpos de agua, bombeo. 1.3 Balance Hidrológico 1.4 Propiedades Físicas del agua: densidad, compresibilidad, viscosidad, tensión superficial y capilaridad. 1.5 Propiedades físicas del aire y medio poroso. Porosidad y vacío. Tamaño de la partícula de suelo. Contenido volumétrico del agua y densidad aparente. 1.6 Energía y altura piezométrica. Hidrostática. 1.7 Medición del nivel piezométrico en pozos y piezómetros.
  • 7. OBJETIVO • DESPUÉS DEL CAPITULO 1, EL ALUMNO DEBE SER CAPAZ DE: • Tener conocimiento sobre el Balance Hídrico de una cuenca (Superficial y Subterráneo) y las variables que participan en su cálculo. • Desarrollar entendimiento sobre las propiedades físicas del agua y medio poroso. • Describir y calcular el nivel o altura piezométrica en un piezómetro
  • 8. 1.1.1 INTRODUCCION • El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. • Su propiedad mas importante: DISOLVENTE • El agua es el elixir de la vida, sin agua nada es posible. • Las civilizaciones florecen cuando el abastecimiento de agua es posible. • Persona: 3 lt/dia de agua potable ( líquidos del cuerpo) • Consumo doméstico básico: 50lt/hab/día (OMS) • Lima 2013: 170 lt/hab/día VOLUMEN DE AGUA EN EL PLANETA: 1.4 x 109 Km3 OCEANOS 97% AGUA FRESCA 3% AGUA SUBTERRANEA 30.1%
  • 9. 1.1.2 RESERVORIOS GLOBALES • El agua fresca subterránea es 100 veces mas abundante que el agua fresca superficial. • Reservas de agua Perú: 1,953km3/año. (posición 8, 2013) • Fuente: http://www.cartafinanciera.com/uncategorized/los-10-paises-con-mas-reservas-de-agua-del-mundo/
  • 10. 1.1.3 ACUIFEROS EN EL MUNDO • Areniscas de Nubia: 150,000 km3 • Gran Cuenca Artesiana: 64,900 km3 • Acuífero Guaraní: 37,000 Km3
  • 11. 1.2.1 PROCESO HIDROLÓGICO • Ciclo Hidrológico: proceso de circulación del agua en la troposfera de la tierra. • La cantidad total de agua es constante. • Más agua atmosférica fluye de los océanos hacia la superficie que visceversa. CICLO HIDROLOGICOGLOBAL ():flujostotales x 1000 Km3/año (fuente: Maidment 1993) Superficie terrestre: Precipitacion > evapotranspiración Océanos: Precipitación < evaporación 1 molécula de agua @100 años: 98 años en el océano. 1.5 años como hielo 1 mes lagos y ríos <1 semana atmósfera
  • 12. 1.2.2 PRECIPITACION • Formas: Líquida o sólida: lluvia, granizado, nieve. • Instrumentos de medición: • Pluviómetro: tradicionales (nivel de agua caída), digitales (lluvia acumulada, temperatura) • Lugares mas lluviosos: • Nor-este India (colinas Kashi) :11,871mm/anual • Aldea Puerto Lopez (Colombia): 12,892mm/anual • Lugar mas lluvioso Perú:Quincemil (Cuzco):7,354mm/anual • Método de cálculos: • Media aritmética • Polígono de Thiessen • Curvas Isoyetas
  • 13. 1.2.3 PRECIPITACION – Método de cálculo • Media Aritmetica: 1 : Precipitación promedio del área; : Número de estaciones en el área; : Precipitación en la estación i • Polígono Thiessen: • Se une con una línea las estaciones adyacentes. • Se traza la mediatriz de cada línea. • Define el polígono alrededor de la estación. • Calculo del área del polígono. ∑ ∑ : área del polígono alrededor de la estación i
  • 14. 1.2.3 PRECIPITACION – Método de cálculo • Curvas Isoyetas: • Dibujo de isoyetas (computarizado). • Hallar el área entre isoyetas. • Calculo de precipitación promedio entre dos isoyetas adyacentes. ∑ ∑ : Precipitación promedio del área entre dos curvas adyacentes; : Número de contorno de curva; : Área entre dos curvas.
  • 15. 1.2.4 EVAPORACION • Cantidad de agua que se pierde de superficies libres de agua (ríos, lagos.) • Evaporación Máxima: 4,000 mm/año • Instrumento de medición: Evaporímetro • Modelos de evaporímetros: • Depósitos sobre el suelo (tanques clase A), enterrados, flotantes • De Balanza (Evaporímetro de Wild) • Porcelana Porosa • Superficies de papel húmedo (Evaporímetro Piché) • Factor de corrección: • Evaporación Real= 0.7 Evaporación de Depósitos • 0.8 Evaporación Piche= Evaporación del Tanque Flotante
  • 16. 1.2.4 EVAPORACION-Método de cálculo • Métodos de cálculos: • Fórmulas Empíricas: • Fórmula de Meyer • Fórmula de Lugeon
  • 17. 1.2.5 TRANSPIRACION • Transpiración: pérdida de agua por las plantas. Este proceso se realiza principalmente por las estomas o poros de la epidermis del vegetal. • Instrumentos: • Lisímetros: báscula cubierta por un área experimental (suelo-vegetal). Controla el cambio de peso que cuantifica la pérdida por vapor. • Potómetro • Parcelas de experimentación • Cuanto más seca sea la atmósfera mayor es la transpiración • Evaporación de suelos sin cubierta: usa los lisímetros pero la cubierta es solo suelo A: Terreno en estudio B: Balanza C: Recolección de agua de drenaje D: Recolección de agua de escorrentía
  • 18. 1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION • Evapotranspiración: Proceso combinado que se dá para terrenos con vegetales, comprende: Evaporación directa (suelo) +Transpiración (plantas) • Evapotranspiración o Evaporación Potencial (ETP): Evaporación cuando toda la superficie esta saturada y no hay restricciones de humedad. (Thornthwaite) • Evapotranspiración de Referencia (ETo): Evapotranspiración para un cultivo específico (césped, maíz, etc)
  • 19. 1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION-Método de cálculo • Método the Thornthwaite: : ! "ó$ %& '( )
  • 20. 1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION-Método de cálculo • Método the Hargreaves: Radiación Extraterrestre (mm/día)
  • 21. 1.2.7 INFILTRACION • Infiltración: Cantidad de agua que penetra a través de los poros del suelo. • Instrumento de medición: • Infiltró metro de carga constante (doble anillo) • Simuladores de lluvia (boquilla
  • 22. 1.2.8 ESCORRENTIA • Escorrentía: Cantidad de agua que circula sobre la superficie del terreno, es la precipitación menos la infiltración y retención superficial. • Aportación de la cuenca se representa en el hidrograma (nivel agua rio-tiempo) para una misma sección. • Método de aforo: • Medir caudales de río, para construir el hidrógrama. • Relación Sección-pendiente: información topográfica, marca de avenidas. • Relación Sección-Velocidad: sección típica, medir velocidad. • Sección de control: Instala un aforador permanente.
  • 23. 1.2.8 ESCORRENTIA-Cálculo • Método de la Curva N: La lámina de escorrentía está definida como: y E: Lámina de escorrentía (mm). N: Número de curva determinada por tablas (depende tipo, uso de suelo) . S: Diferencia máxima potencial entre lluvia y escorrentía (mm) P: Lámina de precipitación (mm) • .Método de la fórmula Racional
  • 24. 1.2.9 DESCARGA SUBTERRÁNEA • Infiltración descarga subterráneamente: • Capa superficial suelo: agua escurre horizontalmente (interflujo) • Capa profunda suelo: llega hasta el acuífero y migra hacia lagunas, quebradas, riachuelos y manantiales. (Flujo de base) • Interflujo es temporal. Aparece y desaparece con la tormenta. • Flujo de base es estacionario y alimenta en periodos secos los ríos, quebradas,etc. • Climas húmedos existe descarga de zonas saturadas hacia fuentes de agua. • Climas áridos las fuentes de agua descargan hacia el sub-suelo Fuentes de aguas ganadoras (efluente) Fuentes de aguas perdedoras (influente)
  • 25. 1.2.9 DESCARGA SUBTERRÁNEA-Flujo de base • Hidrógrama con un evento de precipitación. • Separar del flujo total el flujo base y rápido • Flujo rápido se desvanece después de la precipitación, con una función de declive exponencial, esta porción se llama curva de recesión . Flujo total Flujo base Flujo rápido
  • 26. 1.2.10 BOMBEO • Pozos de bombeo extraen el agua subterránea descargando en otras cuencas. • Grandes flujos de bombeo para irrigación deprimen la napa freática y generan más evaporación. • Proceso inverso se inyecta agua para recargar el agua subterránea.
  • 27. 1.3.1 BALANCE HIDROGEOLÓGICO • Conservación de masa de entradas y salidas de flujos en la cuenca. Tasa de cambio de almacenamiento = Flujo Entra - Flujo Sale ΔS: Variación del almacenamiento P: Precipitación directa sobre la cuenca Qimp: Flujo importado a la cuenca Racuif: Recarga subterránea del acuífero Evt: Evapotranspiración Ev: Evaporación de espejos de agua Qqb: Flujo de la quebrada Qexp: Flujo exportado desde la cuenca Qbomb: Caudal bombeado desde la cuenca Dacuif: Descarga subterránea del acuífero
  • 28. 1.3.2 BALANCE HIDROGEOLÓGICO- en el tiempo • Balance hídrico en estado estable: cuando los flujos de las cuencas no son alterados por largo tiempo: ∆+ 0 • Balance hídrico en estado inestable: ocurre inmediatamente después se inicia el bombeo de agua subterránea : -' .' > 0 → ∆+ < 0 • Retorno a un balance hídrico estable: después de un largo tiempo de mantener -' .' $2 $ • Cuando el bombeo es tan alto el nuevo balance hídrico estable no puede formarse. Flujo Entra = Flujo Sale Reduce el volumen de almacenamiento y el nivel de agua decrece Nivel de agua se estabiliza, otros flujos se ven afectados en este nuevo equilibrio.
  • 29. 1.3.3 EJERCICIO- Propuesta • Se tiene un reservorio con una arroyo que lo abastece, una salida en el dique y una superficie de 2.5 km2. No ha llovido por semanas y el nivel del reservorio ha bajado con una tasa de 3.0 mm/dia. El promedio de la tasa de evaporación de la superficie del reservorio es 1.2 mm/día, la descarga de entrada es 10,000 m3/día y la descarga de salida es 16,000 m3/día. Asumiendo que los unicos flujos adicionales e importantes son las descargas de entrada y salida de agua subterránea del reservorio, ¿cual es el cambio neto de descarga de agua subterránea en el reservorio?
  • 30. 1.3.3 EJERCICIO- Solución • Flujos de entrada: Descarga de entrada del arroyo (I), descarga neta de agua subterránea (G). • Flujos de salida: Descarga de salida del reservorio (G), Evaporación de la superficie del agua (E).
  • 31. 1.4.1 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA • Las propiedades físicas del agua están basadas en las interacciones a nivel molecular • La molécula de oxígeno esta enlazada a los hidrógenos asimeétricamente (1050) • Moléculas de agua son polares • Carga positiva alrededor de los hidrógenos • Carga negativa alrededor del oxígeno. • Propiedad disolvente
  • 32. 1.4.2 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA Densidad y compresibilidad • Densidad 34 : varía entre 0.998-1 g/cm3 para temperaturas 0 -20 0C. • Compresibilidad: agua es considerada incompresible, pero tiene compresibilidad. 5: compresibilidad isotérmica del agua ! : incremento de presión !34: cambio en la densidad por la presión !6 4: cambio en el volumen por la presión
  • 33. 1.4.2 EJERCICIO • Calcular la densidad del agua al pie de un pozo de 500m de profundidad. Asumir 34 1000 78 .9 ⁄ y 0 en la parte superior del pozo, temperatura del agua 10;, compresibilidad térmica del agua 5 4.5 10 ? .@⁄ . • Solucion: • La Presión al pie del pozo: • La presión en la parte superior del pozo es cero → ! 4.905 10B .@ ⁄ • La variación de densidad es: • La densidad en la base del pozo: 34 1002.3 78 .9 ⁄
  • 34. 1.4.3 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA Viscosidad • Es la fricción dentro de un fluido debido a los esfuerzos de atracción entre moléculas. • Viscosidad dinámica: E μ = 1.79×10−3 N·sec/m2 ( 0◦C ) μ = 1.01 × 10−3 N·sec/m2 ( 20◦C ) Unidad: poise=1 g/sec·cm= 10−3 N·sec/m2 • Viscosidad cinemática:& 3: densidad del agua • Esta resistencia de esfuerzos cortantes internos ocasiona que el agua se resista a fluir dentro de algunos materiales geológicos.
  • 35. 1.4.4 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA Tensión superficial y capilaridad • Tensión superficial: es la atracción entre la superficie del agua con otro cuerpo debido a la cohesión que tienen las moléculas entre sí por la polaridad. • La gotas de agua tienden a formar esferas en el aire (cohesión interna) • En los poros el agua moja el mineral y deja espacios vacíos. • Una capa de moléculas de agua= 0.1-0.5 µm (10-6 m) es atraído por el mineral, no se mueve • Espesor capa > 0.1-0.5 µm (10-6 m) no atracción, el agua se mueve • Capilaridad: debido a la tensión superficial el agua cubre la superficie del mineral, el agua se tensiona y la presión del agua es menor a la presión del aire en los poros. • La atracción en el mineral se hace mayor. • Se forma una lámina alrededor del grano del mineral • Los poros se mojan mas allá del nivel de agua.
  • 36. 1.5.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE • Presión del aire varía con el clima en 5% • Presión al nivel del mar es: 1.013×105 N/m2, 1.0 atm (atmósfera), 1.013 bar, 14.7 lb/in2, 760 mm Hg o 10.33 m.c. de agua. • Presión atmosférica decrese 15% con la altura (nivel del mar). • Presión manométrica : Presión en exceso sobre la presión atmosférica • Presión del agua subterránea se lee en presión manométrica. • Ejemplo: Presión manométrica= 35,000 N/m2 es equivalente a una presión absoluta= 1.013×105 N/m2 + 35,000 N/m2 = 1.36×105 N/m2 Presión manométrica= Presión absoluta - Presión atmosférica
  • 37. 1.5.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO Porosidad y vacíos • Porosidad: 0<n<1 • Relación de vacíos: • Relación de vacíos y porosidad:
  • 38. 1.5.2 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO porosidad primaria y secundaria • Porosidad Primaria e intergranular: se debe al suelo o matriz de roca, los poros están conectados en gran cantidad (arenas, gravas, limos, porosas areniscas). Alta y baja porosidad (diversidad de tamaño de los granos de suelo) • Porosidad Secundaria: se debe a la disolución de minerales en la roca, fracturas. (rocas cristalinas, carbonatos) • Algunos minerales tienen poros internos, cerrados que no conectan a los poros principales, no forman parte del volumen de vacios
  • 39. 1.5.3 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO Tamaño de la partícula • La distribución de tamaño de la partícula determina tamaño del poro y la facilidad del agua para moverse a través de él.
  • 40. 1.5.4 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO Contenido volumétrico y densidad aparente • Contenido volumétrico de agua %F): Fracción de espacio ocupado por el agua en un volumen dado de material. • Densidad seca aparente %3G): • Densidad total aparente %3H) : • Densidad de sólidos %3I):
  • 41. 1.6.1 Energía y altura piezométrica • Agua fluye de un lugar a otro debido a las diferencias de energía mecánica. • Se mueve de una región mayor energía mecánica hacia una menor. • Energía mecánica : • Ecuación de Bernoulli para fluidos incompresibles: Energía mecánica= E. potencial elástica + E. potencial gravitacional + E. Cinética P: presión V: Volumen M: masa Z: elevación v: velocidad
  • 42. 1.6.2 Energía y altura piezométrica • Energía mecánica por masa de agua : • Energía mecánica por peso de agua: • El agua siempre fluye hacia zonas de baja altura piezométrica P: presión V: Volumen M: masa Z: elevación v: velocidad 34: densidad del agua g: gravedad Nivel piezométrico = Altura de presiones + elevación+ altura de velocidad
  • 43. 1.6.3. HIDROSTÁTICA • Condición hidrostática se dá en regiones donde no hay movimiento de agua (velocidad=0) , es decir la altura piezométrica es constante. • El agua dentro de un pozo sin bombear, lago. • En la superficie del pozo y lago se cumple: Presión=0, h=Z (altura piezométrica= elevación). • La presión varía con la profundidad:
  • 44. 1.7.1. MEDICION DEL NIVEL PIEZOMETRICO EN POZOS Y PIEZÓMETROS • El nivel piezométrico en los poros de agua de una zona saturada se mide con piezómetros . • Piezómetro: es un tubo de diámetro pequeño abierto en la parte superior (presión atmosférica) y ranurado en la parte inferior (ingreso de agua). • Las medidas son válidas para la zona alrededor de la zona perforada. • El pozo es un tubo de mayor diámetro. • Piezómetros instalados en materiales de baja conductividad hidráulica no reportan el nivel hidráulico de la zona (velocidad lenta del flujo).
  • 45. 1.7.2 MEDICION DEL NIVEL PIEZOMETRICO EN POZOS Y PIEZÓMETROS-Lectores de presiones • En materiales de baja conductividad hidráulica usar piezómetros de diámetro pequeño. • Lectores o traductores de presiones: instrumentos electrónico o neumáticos que se instalan dentro de un piezómetro de sección pequeña. • Lecturas sensibles a la desviación que se produce en la membrana debido al cambio de presiones (presión atmosférica-presión de poros). Z: nivel de instalación del traducer respecto del datum
  • 46. 1.7.3 EJEMPLO • Calcular el nivel piezómetrico o hidráulico en los piezómetros A y B. • Presión en la base de los mismos piezómetros • El agua subterránea alrededor de estos piezómetros tiene componente hacia arriba o hacia abajo.? • Nota: • TOC: Cota superior del casing o tubería de revestimiento del piezómetro. • BOC: Cota inferior del piezómetro. • Profundidad del agua medida desde la cota superior del casing o tubería de revestimiento.
  • 47. 1.7.3 EJEMPLO: Solución • La altura piezométrica o el nivel piezométrico en cualquier piezómetro es la elevación del nivel de agua. Estará definida por: • ℎK 476.93 − 2.18 = 474.75. • ℎP = 477.67 − 3.44 = 474.23. • La Presión en la base del piezómetro A se calcula: • El altura piezométrica de cada piezómetro describe la altura piezométrica del acuífero ubicado en los alrededores de la base del piezómetro. • Como ℎK − ℎP , el agua tiende a moverse desde la base del piezómetro A hacia la base del piezómetro B. Hay una componente del agua subterránea dirigida hacia abajo en los alrededores de estos piezómetros. Altura piezométrica= Cota superior del casing – Profundidad del agua. ℎ = QR − ST$!"! ! ! ( 8T K = ℎK − UK 38 = 474.75 − 470.92 9810 .9 ⁄ = 37, 572 N/m2 P = ℎP − UP 38 = 474.23 − 455.16 9810 .9 ⁄ = 187, 077 N/m2