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ACUIFERO Y SUS
PROPIEDADES
G. Aguilar G..
FLUJO EN MEDIOS POROSOS
G. Aguilar Giraldo 2
ACUIFEROS
G. Aguilar Giraldo 3
TIPOS DE ACUIFEROS
G. Aguilar Giraldo 4
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Porosidad (n) La porosidad es una medida del espacio intersticial de un acuífero y
se define como la razón entre el volumen ocupado por los intersticios y el volumen total del acuífero. La porosidad es adimensional y se expresa en porcentaje:
n = Vv =_e__ Vt 1 + e
Donde: Vv = volumen de vacíos e = relación de vacíos Vt = volumen total e = Vv/Vs Vv = Va+Vw Va = volumen de aire y Vw= volumen de agua; finalmente Vt = Vs+Va+Vw.
G. Aguilar Giraldo 5
Porosidad varia con
% Compactacion
Tamaño de particulas
Fracturamiento
G. Aguilar Giraldo 6 Arena no cementada
Arena Cementada
G. Aguilar Giraldo 7
G. Aguilar Giraldo 8
Rocas Porosidad (%) Material No Consolidado
Porosidad (%)
Arenisca Caliza Caliza Karstica Basáltica fracturada Cristalinas fracturadas Fracturadas
5-30 0 - 20 5 - 50 5 - 50 0 - 5 0 - 10
Grava Arena Limo Arcilla
25 - 40 25 - 50 35 - 50 40 - 70
Tabla No.1 -1 Rangos de Porosidad ()
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
G. Aguilar Giraldo 9
Almacenamiento especifico (Ss) El almacenamiento especifico de un acuífero compresible se define
como el volumen de agua que un volumen unitario de acuífero libera por expansión del agua y compactación de la matriz sólida, cuando la carga hidráulica disminuye en una unidad. El almacenamiento especifico, Ss, se relaciona con las características del agua y del acuífero mediante la siguiente ecuación:
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Donde: : densidad del agua (Kg/m3) g : aceleración de la gravedad (m/s2) : compresibilidad vertical de la matriz sólida del acuífero. (m2/N) : porosidad del acuífero (adimensional) : compresibilidad del agua (m2/N)
Ss = g( + η)
G. Aguilar Giraldo 10
Material (m2/N)
Arcilla
Arena
Grava
10-6 - 10-8
10-7 - 10-9
10-8 - 10-10
Tabla No. 1- 2. Valores de Compresibilidad de la Matriz Sólida (m2/N)
Temperatura oC
Peso Especifico
Kgf/m3
Masa Especifica
(Km.m.s)
Modulo de
Elasticidad
Ew
(Kg/m2 )
Coef. De
Compresibilidad β
(m2/kg)
Viscosidad
Dinámica
(1/Pa.s)
Viscosidad
Cinemática
ν (m2/s)
0
10
20
30
40
50
60
999.07
999.73
998.23
995.67
992.24
988.07
983.24
101.93
101.91
101.76
101.50
101.14
100.72
100.23
1.99 x 10+8
2.09 x 10+8
2.18 x 10+8
2.20 x 10+8
2.21 x 10+8
2.22 x 10+8
2.23 x 10+8
0.5025 x 10-8
0.4785 x 10-8
0.4587 x 10-8
0.4545 x 10-8
0.4525 x 10-8
0.4505 x 10-8
0.4484 x 10-8
1.781 x103
1.307 x103
1.002 x103
0.798 x103
0.653 x103
0.547 x103
0.466 x103
1.785x 10-6
1.306x 10-6
1.003x 10-6
0.800x 10-6
0.658x 10-6
0.553x 10-6
0.474x 10-6
Tabla No.1-3 Propiedades Físicas del Agua a la Presión Atmosférica (g = 9.81 m/s2)
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
G. Aguilar Giraldo 11
Coeficiente de Almacenamiento (S) Se define como el volumen de agua que una columna vertical del
acuífero, que tiene como base la unidad de área y como altura el espesor medio del acuífero, libera por expansión del agua y compactación de la matriz sólida, cuando la carga hidráulica disminuye en una unidad.
El coeficiente de almacenamiento, S, se relaciona con el almacenamiento especifico, Ss, mediante la expresión:
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
S = gm( + ) = m Ss
Donde: m, es el espesor medio del acuífero.
Es adimensional y sus valores en acuíferos confinados varían de 5x10-5 a 5x10-3. Los acuíferos confinados y semi-confinados liberan agua solo por expansión del agua y compactación de la matriz sólida del acuífero, mientras que los acuíferos libres y semi-libres además liberan agua por drenaje gravitacional.
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Si la superficie piezometria varía ,
el agua será liberada o almacenada
Acuíferos Confinados
Pero los poros no son drenados ?
Entonces de donde está fluyendo el agua ?
G. Aguilar Giraldo 13
Expansión del Agua
Compactación de la matriz
Sólida
Piense en un Neumático Lleno de aire a presión
liberamos el aire
Aun queda lleno de aire Es un sistema elástico
Si la presión aumenta,
Material poroso se expande
El agua se contrae
Si la presión cae,
Material poroso se compacta
El agua se expande
P
P
Matriz sólida Agua
Si hay bombeo La presión se reduce
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PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Rendimiento Especifico (Sy) Es la razón entre el volumen de agua que un acuífero puede liberar por drenaje gravitacional y el mismo volumen. También se define como la porosidad drenable del acuífero. Sy es adimensional. Para arenas el rendimiento especifico es del orden de 0.1 a 0.2. En general sus valores varían entre 0.01 a 0.30.
Material Sy(%) Material Sy(%)
Grava Gruesa
Grava Mediana
Grava Fina
Arena Gruesa
Arena Media
Arena Fina
Sedimentos Finos
Arcilla
Arena Fina graduada
Arena Media graduada
23
24
25
27
28
23
8
3
21
27
Limo
Arena de Duna
Loess
Turba
Esquisto
Sedimentos gruesos
Suelo Franco
Franco Arenoso
Franco Gravoso
Tufos
14
38
18
44
26
12
6
16
16
21
TABLA No. 1-4 Valores representativos de rendimiento especifico
Johnson, 1967.
G. Aguilar Giraldo 15
Cuando un pozo bombea
de donde viene el agua ?
Drenaje de poros
Rendimiento Específico (Sy)
Acuífero Libre
Coeficiente de Almacenamiento (S)
Volumen de agua que una unidad permeable
puede absorver o liberar de sus reservas por
unidad de superficie y variacion unitaria de su carga
G. Aguilar Giraldo 16
Coeficiente de Almacenamiento
El coef.de Almacenamiento (S) consta de 2 componentes:
S = Ssb
Ss = Almacenamiento Esp.(1/L)
b = espesor saturado (L)
S < 0.005
Para acuíferos libres, el agua proviene del drenaje ,
La contribución de la compresibilidad es muy pequeño
S = Sy + Ssb Sy = Rendimiento Específico
b = Espesor saturado (L)
Ss = Almac. Específico (1/L) generalmente, Sy >> Ssb
S ~ Sy
Agua liberada por compresibilidad del acuífero
Drenaje de agua desde los poros de un acuífero
Para acuíferos confinados, no hay drenaje de los poros ,
el agua proviene debido a la componente de compresibilidad
S: 0.02 to 0.30
G. Aguilar Giraldo 17
Permeabilidad o permeabilidad intrínseca (Ko) Es la propiedad que mide su habilidad de dejarse atravesar por los
fluidos. Depende únicamente de las propiedades de la matriz sólida del medio poroso. Tiene dimensiones L2 y es expresada en cm2 o en m2 en el sistema métrico. Otra unidad de la permeabilidad intrínseca es el Darcy el cual equivale a 9.869 x 10-9 cm2. El análisis dimensional de la permeabilidad intrínseca obedece a las siguientes expresiones:
La permeabilidad intrínseca como se menciono antes se expresa en Darcys; 1 Darcy= 0.987 x 10-12 m2 y es definido como un medio por el cual 1 cm3/s fluye a través de 1 cm2 de sección, para un fluido con 1 cPa de viscosidad y un gradiente de presión de 1 atm/cm (760 mmHg/cm).
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
2
22
2
3
1
.
.1L
TL
M
TL
M
L
T
L
LpA
QK o
G. Aguilar Giraldo 18
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Coeficiente de Permeabilidad o Conductividad Hidráulica (K) Es la propiedad que mide la facilidad con que un fluido específico puede desplazarse a través de un medio poroso. Depende de las propiedades del fluido y de la matriz sólida. En el aprovechamiento de agua subterránea, se define como el flujo de agua a través de una rea unitaria perpendicular a la dirección del flujo, bajo el gradiente hidráulico de 100% a 20ºC de temperatura. El coeficiente de permeabilidad se relaciona con la permeabilidad intrínseca mediante la siguiente expresión:
Donde: Ko= Permeabilidad Intrínseca (m2) K = Coeficiente de permeabilidad (m/d) = Densidad del fluido (Kg/m3) = Viscosidad dinámica del fluido (Kg/m.s) g = Aceleración de la gravedad (m/s2) V = Viscosidad cinemática del fluido (m2/s)
g
Kg
K = K oo
.
G. Aguilar Giraldo 19
Clasificación Geológica K (m/d)
Material No consolidado
Arcilla
Arena Fina
Arena Media
Arena Gruesa
Grava
Mezcla de Arena y Grava
Mezcla de Arcilla - Arena- grava
10-8 - 10-2
1 – 5
5 – 2 x101
2x101 - 102
102 - 103
5 - 102
10-3 - 10-1
Rocas
Arenisca
Rocas Carbonatadas
Pizarras
Rocas Sólidas
Rocas Fracturadas
Rocas Volcánicas
0-3 - 1
10-2 - 1
10-7
< 10-5
Casi 0 - 3 x 102
Casi de 0 - 103
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Tabla Nº1-5. Magnitudes de “K” para diferentes materiales
G. Aguilar Giraldo 20
Transmisibilidad: T
Tiene dimensiones de L2/T, en el sistema métrico, se expresa en m2/d o m3/d/m. Los valores de transmisibilidad encontrados en la práctica van desde menos de 12.4 m2/d hasta más de 12,400 m2/d. Los acuíferos con transmisibilidad menores que 12.4 m2/d sirven para uso domestico, mientras que los acuíferos con transmisibilidades superiores a 124 m2/d son valiosos para la explotación de agua con fines de riego, abastecimiento municipal e industrial (Mogg, J.L. 1967).
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
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Mide la cantidad de agua que pude ser
transmitida horizontalmente por unidad de ancho
y espesor saturado medio de acuífero y bajo
un gradiente hidráulico unitario (i= 1)
Transmisividad T = KB
T = transmisvidad (L2/T) K = conductividad hidráulica (L/T)
B = espesor saturado (L)
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Flujo en Acuífero Semi Confinado
Confinado
Ac. Libre
Tabla de Agua
Estrato
Semi-permeable
La capa semipermeable permite flujo hacia el confinado
La resistencia hidráulica en 2D es :
Resistencia Hidráulica = b’/K’z
b’ K’z
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Resistencia Hidráulica (c) Llamada también resistencia al flujo vertical, es una propiedad
de los acuíferos semiconfinados. Se expresa como la relación entre el espesor saturado (D’) de la capa semipermeable y su respectiva conductividad hidráulica (K’):
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Donde : D’= Espesor del acuitardo (m) K’= Conductividad Hidráulica del acuitardo para flujo vertical (m/d) C = Resistencia Hidráulica (d) Tiene dimensiones de tiempo, frecuentemente expresado en días. Cuando c tiende al infinito el acuífero será confinado.
K
D = c
K
D = c
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Factor de Filtración (L)
Denominado también factor de fuga, determina la distribución de la filtración en un acuífero semiconfinado, es decir determina el origen del agua que se extrae de un pozo construido en el acuífero. Valores altos de L, indican gran resistencia de la capa semipermeable al flujo comparado con el acuífero principal, en tales casos, la influencia de la filtración será pequeña. Valores pequeños de L significan altas tasas de filtración. El factor de filtración tiene dimensiones de longitud y
se expresa en metros, la expresión para su cálculo esta dado por:
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
KDc=L
Donde: K = Conductividad hidráulica del acuífero D = Espesor saturado C = Resistencia hidráulica de la capa semipermeable
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Isotropismo
En medios porosos isotrópicos las propiedades físicas son idénticas en todas las direcciones. Se dice que un acuífero es isotrópico con respecto a la permeabilidad si esta última es independiente de las direcciones, es decir, si el coeficiente de permeabilidad en un punto dado tiene el mismo valor en todas las direcciones.
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Kx1 = Ky1 = Kz1 Kx2 = Ky2 = Kz2
Kx3 = Ky3 = Kz3 Anisotropismo Si en un punto en el acuífero la permeabilidad varia con la dirección, se dice que el acuífero en el punto considerado es anisotrópico con respecto a la permeabilidad.
Kx1 Ky1 Kx1 Kz1 Ky1 Kz1
G. Aguilar Giraldo 26
Homogeneidad
Se dice que un acuífero es homogéneo con respecto a la permeabilidad si, en una dirección dada, presenta el mismo valor de permeabilidad en todos los puntos.
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Kx1 = Kx2 = Kx3
Ky1 = Ky2 = Ky3
Kz1 = Kz2 = Kz3
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Heterogeneidad
Se dice que un acuífero es heterogéneo con respecto a la permeabilidad, si, en una dirección dada, el valor de la permeabilidad varia de un punto a otro.
PROPIEDADES Y PARAMETROS DE ACUIFEROS
Kx1Kx2Kx3
Ky1Ky2Ky3
Kz1Kz2Kz3
1zK
2zK
3zK
1xK 3xK
2xK
2yK
1yK3yK
3
2
1
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Acuífero Homogéneo e Isotropico
Acuífero Confinado
Impermeable
Impermeable
Kv
Kh
Acuífero Heterogéneo Estratificado
K1
K2
K3
K4
Kv
Kh
Kv
Kh
Acuífero Homogéneo Anisotrópico Acuífero Heterogéneo en Rocas Fracturadas
Fig. 1-2 Acuíferos Homogéneos Heterogéneos, Isotrópicos y Anisotrópicos