TEMA 05: Acuíferos (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Hidrología continental y marina
Profesor J.A.P.A.
Año del apunte 2017
Páginas 8
Fecha de subida 14/11/2017
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Hidrología continental y marina TEMA 5: ACUÍFEROS LOS ACUÍFEROS: CONCEPTOS Y TIPOLOGÍAS AGUA SUBTERRÁNEA El agua se aloja y circula en el subsuelo, conformando los acuíferos. La fuente de aporte principal es el agua de lluvia, mediante el proceso combinado de infiltraciónpercolación. Otras fuentes de alimentación localizada pueden ser los ríos, arroyos, lagos y lagunas.
El agua subterránea se sitúa por debajo del nivel freático y está saturado completamente los poros y/o fisuras del terreno y fluye a la superficie de forma natural a través de vertientes o manantiales o cauces fluviales.
Su movimiento en los acuíferos es desde zonas de recarga a zonas de descarga (de superficie hasta agua subterránea), con velocidades que van desde metro/año a cientos de m/día, con tiempos de resistencia largos resultando grandes volúmenes de almacenamiento, aspectos característicos del agua subterránea.
Dependiendo del distinto comportamiento del medio (litológico) frente al agua subterránea y en función de la capacidad de los materiales para almacenar y transmitir el agua subterránea, se distinguen 3 sistemas hidrológicos: − − − Acuífero Acuitardo Acuicluido + Acuífugo ACUÍFERO Cualquier formación geológica que contienen agua en cantidad significativa y que circula a través de ella. Tiene propiedades hidráulicas que permite el almacenamiento de agua subterránea y facilita el tránsito a través del espacio poroso en condiciones naturales.
El agua almacenada es susceptible de ser explotada en cantidades económicamente apreciables para atender las diversas necesidades de la demanda.
ACUITARDO Formación geológica semipermeable, aunque conteniendo apreciables cantidades de agua, se transmite muy lentamente.
No es apto para el emplazamiento de captaciones de aguas subterráneas, sin embargo, bajo condiciones especiales permiten una recarga vertical de otros acuíferos.
ACUICLUIDO Formación geológica capaz de almacenar agua, pero que no permite su libre circulación.
= Un m3 de arcillas contiene más agua que el mismo volumen de arenas, pero el agua está atrapada, no puede salir por gravedad, y, por tanto, no podrá circular en el subsuelo ni en condiciones naturales ni hacia una infraestructura (pozo) que la extraiga.
ACUÍFUGO Formación geológica que no contiene agua porque no permite que circule a través de ella. Está compuesto por una formación geológica subterránea que se caracteriza por ser impermeable, por tanto, es incapaz de absorber o transmitir agua.
UNIDAD HIDROGEOLÓGICA Conjunto de formaciones geológicas cuyo funcionamiento hidrogeológico conviene considerar de manera unitaria. En la unidad se podrá encontrar uno o varios acuíferos, también acuitardos y acuicluidos.
Se considera unidad: los distintos sistemas de almacenamiento y transmisión de agua están conectados en su funcionamiento, por lo que hay que estudiar su comportamiento (entradas, salidas y balance) de modo conjunto.
TIPOS DE ACUÍFEROS Dependiendo de su localización, comportamiento hidrológico y tipo de medio geológico.
ACUÍFEROS LIBRES: aquel en el que existe una superficie libre de formaciones impermeables.
El agua subterránea está en contacto con la atmosfera a través de los poros o fisuras existentes en la zona no saturada (la parte superior de la zona saturada está a la presión atmosférica).
El agua de los pozos en este tipo de acuíferos se encuentra a la profundidad de la superficie freática. Sin embargo, en ciertas ocasiones en que los pozos penetran a profundidades considerables, el agua puede alcanzar cotas inferiores al nivel freático o superiores a este, llegando eventualmente a rebalsar la superficie del terreno (pozos surgentes).
Acuífero colgado: cuando la superficie freática regional se encuentra a cierta profundidad y existe un nivel impermeable que lo facilita. Normalmente de dimensiones reducidas y con importancia menor dentro de los recursos hídricos de la región.
ACUÍFEROS CONFINADOS: están separados de la atmosfera por materiales impermeables o confinantes.
El agua está a mayor presión que la atmosférica, razón por la cual al efectuar una perforación el agua asciende hasta un nivel superior al del techo del acuífero, en que se equilibra la presión hidráulica con la atmosférica.
Superficie piezométrica: nivel ideal determinado por todos los puntos de equilibrio de la presión del agua con la atmósfera.
Los pozos perforados en estos acuíferos reciben el nombre de artesianos, siendo a veces también surgentes (cuando el nivel piezométrico está por encima de la superficie topográfica).
ACUÍFEROS SEMICONFINADOS Acuíferos a presión, pero que algunas de las capas confinantes son semipermeables, acuitardos, y a través de ellas le llegan filtraciones o rezumes.
Por tanto, aunque la permeabilidad del acuitardo sea muy baja, se producirá un flujo de agua a través del mismo hacia abajo como recarga.
MATERIALES GEOLÓGICOS SEGÚN SU COMPORTAMIENTO HIDROGEOLÓGICO Los poros pueden ser el resultado de procesos muy diferentes, distinguiéndose según estos entre: Porosidad primaria: cuando los poros se originan al mismo tiempo que las rocas en los que se encuentran.
Granular Granular de matriz limosa Granular de matriz arcillosa Granular de grano poroso Porosidad secundaria: cuando se originan con posterioridad a la formación de la roca y a menudo por procesos completamente diferentes a los que dieron origen a aquella.
Fisurado (en roca) Cárstico Cárstico y poroso De acuerdo de los materiales y su estructuración (que inciden en la porosidad) se distingue entre: − − Según las características litológicas: acuíferos detríticos y acuíferos carbonatados.
Según las propiedades texturales: acuífero poroso y acuífero fisurado.
ACUÍFEROS DETRÍTICOS Coinciden en parte con áreas de sedimentación terciaria.
Corresponden mayoritariamente a afloramientos de materiales predominantemente arcillosos de muy baja permeabilidad. Pero también contienen grandes acumulaciones de materiales detríticos, arenas y gravas fundamentalmente, con altos valores de permeabilidad y porosidad, por lo que resultan idóneos para la retención y la circulación del agua subterránea.
ACUÍFEROS CARBONATADOS (KÁRSTICOS) Pertenecen a terrenos de edad mesozoica y en menor grado a depósitos terciarios. Son rocas que admiten con facilidad el agua de la lluvia y de las escorrentías superficiales como consecuencia de fenómenos de disolución de los carbonatos, que pueden dar lugar a importantes redes Kársticas y a abundantes manantiales.
ACUÍFEROS POROSOS El agua subterránea se encuentra dentro de los poros, dentro de la matriz de un material poros. Los poros están intercomunicados entre sí, existiendo por ello permeabilidad y transmisión del agua.
ACUÍFEROS FISURADOS El agua se localiza en las fisuras de las rocas, también intercomunicadas entre sí.
Al no tener la estructura granular de los porosos, en los fisurados el almacenamiento, distribución y circulación del agua se comporta de manera más heterogénea circulando por direcciones preferenciales.
ACUIFERO GRANULAR (DETRITICO): POROSO ACUIFERO FISURADO LA CIRCULACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA Aunque existen ríos subterráneos y/o grandes zonas de acumulación de agua, estos no son frecuentes. Sobre todo, existe agua subterránea en los espacios porosos y las fracturas que quedan en las rocas. Por tanto, el movimiento de la mayor parte del agua subterránea es extraordinariamente lento, de poro a poro.
La energía que hace moverse el agua subterránea la proporciona la fuerza de la gravedad. En respuesta a la gravedad, el agua se mueve desde áreas donde el nivel freático es elevado a zonas donde éste es bajo.
El agua tiende hacia un cauce de corriente, lago o manantial. Aunque algo del agua tome el camino más directo hacia debajo de la pendiente del nivel freático, gran parte sigue caminos hacia la zona de descarga.
El agua pércola en una corriente desde todas las posibles direcciones. Algunas trayectorias retornan hacia arriba y entran por el fondo del cauce.
Los mecanismos de esas direcciones se deben a que cuanto mayor sea la profundidad en la zona de saturación, mayor será la presión del agua. Por tanto, los recovecos seguidos por el agua en la zona saturada pueden considerarse como un compromiso entre el empuje hacia debajo de la gravedad y la tendencia del agua a desplazarse hacia áreas de presión reducida.
Como consecuencia, a cualquier altura dada, el agua está bajo una presión mayor debajo de una colina que debajo de un cauce de corriente, y el agua tiende a migrar hacia los puntos de menor presión.
FACTORES DE CIRCULACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA A TENER EN CUENTA POTENCIAL HIDRÁULICO: altitud a la que ascenderá el agua hasta que se encuentre en equilibrio con la presión atmosférica si introducimos una tubería en una zona saturada del sustrato.
El agua se mueve de los puntos con más energía hacia aquellos que presentan una menor cantidad.
En las áreas de recarga el potencial hidráulico decrece progresivamente a medida que aumenta la profundidad. En las áreas de descarga, por el contrario, el potencial crece paulatinamente con la profundidad.
En las áreas de descarga ocurre normalmente que, si los pozos son suficientemente profundos, el agua puede ascender espontáneamente por encima de la superficie del terreno.
Potencial de elevación o potencial gravitacional (z): energía necesaria para situar la unidad de masa de agua en ese estado de elevación sobre el nivel del mar.
Potencial de presión (hp/γ): energía necesaria para someter al agua a la presión del agua desde la presión atmosférica.
Potencial de velocidad (hv): energía requerida para comunicar a la unidad de masa de agua su velocidad.
GRADIENTE HIDRÁULICO: perdida de energía recorrida por el agua. La pérdida o cambio de potencial hidráulico por unidad de longitud, medida en el sentido del flujo de agua.
El agua subterránea se mueve en la dirección en que decrece el potencial hidráulico total, de manera que, si se mantienen constantes todos los demás factores, la cuantía del movimiento de aquélla en el seno de la zona saturada depende del gradiente hidráulico.
LA LEY DE DARCY 𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖á𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 = ℎ1 − ℎ2 𝑑𝑑 En la zona saturada del subsuelo el flujo de agua subterránea suele ser preferentemente horizontal, excepto en las áreas de recarga y de descarga, donde el flujo tiene una componente vertical importante.
El movimiento del agua en el medio saturado está regulado, siempre que el régimen de flujo sea laminar (no turbulento), por la ley de Darcy.
El caudal de agua (Q) que atraviesa un medio poroso saturado es directamente proporcional a la sección transversal a dicho flujo (A) y a la variación del potencial (Δhl) existente entre dos puntos considerados de una misma línea de flujo, e inversamente proporcional a la longitud (l) del camino recorrido: 𝑄𝑄 = 𝐾𝐾 × 𝐴𝐴 × Δhl = 𝐾𝐾 × 𝐴𝐴 × 𝑙𝑙 𝑙𝑙 K: constante de proporcionalidad (conductividad hidráulica o permeabilidad).
Nota: La ley de Darcy es válida para casi todos los fluidos que circulan lentamente a través de pequeños poros en el subsuelo. El flujo del agua en régimen turbulento o a través de grandes cavidades no sigue la ley de Darcy.
FLUJO DEL AGUA EN LOS MEDIOS PERMEABLES ACUÍFEROS REDES DE FLUJO: mallas que resultan de la intersección de dos familias de curvas.
Líneas equipotenciales: curvas que unen puntos con igual potencial hidráulico y representan la altitud o cota absoluta de la superficie freática.
Líneas de flujo: representan el itinerario seguido por las partículas de agua en su movimiento a través del medio saturado. Las líneas de flujo son perpendiculares a las líneas equipotenciales.
PARÁMETROS HIDROLÓGICOS FUNDAMENTALES Los principales parámetros hidráulicos de los medios porosos y fisurados son precisamente aquéllos que los capacitan para almacenar y transmitir el agua: − − − − Porosidad Permeabilidad Transmisividad Coeficiente de almacenamiento POROSIDAD: es una propiedad adimensional que se expresa en tantos por ciento.
Su valor oscila entre el 1% (rocas muy compactas) y el 50% (en algunos depósitos de grano fino). Los medios sólidos pueden presentar: Porosidad primaria (medios porosos, con porosidad intergranular o intersticial): adquirida durante su formación o depósito.
Porosidad secundaria (medios fisurados y kársticos, con porosidad por fisuración y por disolución): adquirida con posterioridad a su formación.
Establece la relación entre el volumen de huecos de un material y su volumen total.
𝑚𝑚 = 𝑉𝑉ℎ 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝑚𝑚𝑒𝑒 = 𝑉𝑉𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑉𝑉𝑡𝑡 m: Porosidad Vh: Volumen de huecos Vt: Volumen total POROSIDAD EFECTIVA (me): se refiere exclusivamente a la parte de los huecos que resulta útil para la libre circulación del agua.
Relaciona el volumen de agua extraíble del medio -agua gravífica (Vag)- con el volumen total de material.
POROSIDAD TOTAL: su valor se reparte entre la porosidad eficaz y la retención específica (volumen o parte del agua que queda retenida en los poros y fisuras del terreno), siendo ambos valores muy variables en función.
PERMEABILIDAD: material expresa la facilidad que éste presenta para que el agua circule a través de él.
Depende tanto de las características del medio (sobre todo del tamaño medio de los poros) como de las propiedades del fluido (de la viscosidad y del peso específico).
𝐶𝐶 × 𝑑𝑑 2 × γ 𝐾𝐾 = µ K: permeabilidad C: coeficiente que depende de la roca y es adimensional (factor de forma).
d2: tamaño medio de los poros γ: peso específico μ: viscosidad k0: coeficiente de permeabilidad, engloba las características de la roca. K0= C x d2 TRANSMISIVIDAD: expresa la facilidad para que el agua circule a través del espesor total de dicho medio.
Su valor equivale al producto de la permeabilidad del material (anchura) por el espesor saturado del acuífero (altura): T: transmisividad K: permeabilidad 𝑇𝑇 = 𝐾𝐾 × 𝑏𝑏 b: espesor saturado Es un parámetro que se suele expresar en unidades de en m2/día o en cm2/seg.
COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO Expresa el volumen de agua que puede ser liberado de un prisma vertical de material poroso de sección unidad y altura igual a la del medio saturado.
Es un parámetro adimensional, que en los acuíferos libres equivale a la porosidad efectiva (me), si bien no ocurre así en los acuíferos cautivos y semiconfinados, debido a los efectos mecánicos de compresión del terreno y del agua. En éstos el coeficiente de almacenamiento adquiere valores sensiblemente más bajos.
CARGA Y DESCARGA DE LOS ACUÍFEROS FLUJO DESCENDIENTE Y ASCEDIENTE Áreas de recarga: aquellas en que el flujo subterráneo presenta una componente vertical descendente.
Área de descarga: zonas donde el flujo subterráneo presenta una componente vertical ascendente.
Área intermedia (transición): zonas en las que el flujo es prácticamente horizontal.
FLUJOS LOCALES Y REGIONALES Para entender las características de carga y descarga, el flujo natural del agua subterránea en una región se puede esquematizar mediante redes de flujo.
Nota: a escala regional se dan puntos de estancamiento (E). Zonas donde el agua no se mueve al no estar sometida a ningún gradiente.
El cauce menor genera un área de descarga con el correspondiente flujo local y el cauce principal recibe flujos locales y regionales.
Nota: la divisoria subterránea entre ambos cauces no coincide con la divisoria topográfica, ni tampoco con el punto más alto de la superficie freática.
EXPLOTACIÓN DE LOS ACUÍFEROS Para realizar una explotación sensata y sostenible de los recursos hídricos que potencialmente tienen los acuíferos debe un proceso consistente en varias fases consecutivas: 1) ESTUDIO PRELIMINAR Conjunto de acciones que permiten la localización de acuíferos de los que se puede obtener agua en cantidad y de calidad adecuada para el fin que se pretende.
2) IDENTIFICACIÓN DE ZONAS Y ÁREAS DE MEJOR ACCESO Clasificando los acuíferos en aquellos con mayor facilidad de acceso, y por lo tanto explotación.
3) CAPTACIÓN Y EXPLOTACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS ...

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