Agua Subterranea I
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8/17/2019 Agua Subterranea I
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Curso de Hidrología
Agua SubterráneaPor:
Sergio Velásquez
Mazariegos
v
elasquez.m.sergio
@gmail.com
2016
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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Mar R
Glaciar Agua Subterrán
Ojos que no ven… corazón que no siente – Refrán popular
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Importancia del Agua Subterrán
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Importancia del Agua Subterrán
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Definición
Agua subterránea es el agua que ocupa todos los vacíos dentro
geológico, comprende toda el agua que se encuentra por debajofreático. De gran importancia en lugares secos ya que el escurrimiento se reduce m
algunas épocas del año.
Proviene de la infiltración directa en el terreno de las lluvias o nieves, o indo lagos.
Infiltración es el proceso por el cual el agua penetra en las capasdel suelo.
Percolación es el movimiento del agua en las capas del subsuelo
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Hidrogeología
Es la parte de la hidrología que estudia la ocurrencia, movimientdel agua debajo de la superficie terrestre.
Su enfoque es interdisciplinario e involucra la aplicación de la fís
y matemáticas.
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Importante
Las aguas subterráneas forman parte del ciclo hidrológico.
• SISTEMAS DE AGUAS SUBTERRÁNEAS(SISTEMAS ACUÍFEROS)
SISTEMA
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Teoría de Sistemas
Definición de sis tema según Dooge (en Flemmig , 1972)
“ Cualquier estructura, dispositivo o procedimiento, real o abs
interrelaciona en un tiempo dado de referencia, una entrada , caus
(de materia, energía o información) y una sal ida , efecto o respuest
información energía o materia”.
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Teoría de Sistemas
El sistema comprende
– un conjunto de componentes físicos y geométricos,
– acciones exteriores al sistema (que actúan sobre él y lo mo
– leyes que modifican su funcionamiento
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El Acuífero como Sistema
Bajo este punto de vista,
El acuífero constituye un sis tema natural y real emedio físico está conformado por agua y roca
propias leyes de funcionamiento que ante
exteriores que definen la entrada neta al s is tem
natural o artificial, riegos, bombeos, evapotranspiradan lugar a diferentes estadios del sistema que con
respuesta o sal ida del mismo.
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El Acuífero como Sistema
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Continente=Geología
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Clasificación de las Rocas
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Clasificación de las Rocas
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Clasificación de las Rocas
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Ciclo de las Rocas
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Los Sedimentos
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Textura y Estructura
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Porosidad Total
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Constantes hidrogeológicas
Porosidad (m o η) Se define como la relación del volumen de huecos (vacíos) al
total del terreno que los contiene, es decir:
Depende de:• Naturaleza fisicoquímica del terreno, granulometría de sus component
cementación, meteorización, etc.
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Porosidad Total
Porosidad (η)
Valores de porosidad• 80-90%: depósitos aluviales (deltas)
•
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Porosidad Eficaz
Es prácticamente igual a la Porosidad Drenable y en
muchos casos se utiliza como sinónimo
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Constantes hidrogeológicas
Porosidad drenable (S) Sinónimos: porosidad drenable, espacio poroso
drenable, porosidad efectiva, producciónespecífica (para acuíferos libres) y coeficiente dealmacenamiento (solo para acuíferosconfinados).
Es la cantidad de agua que puede ser drenadade un volumen de suelo saturado por efecto dela gravedad, se expresa en porcentaje.
Retención Específica= Porosidad total-P
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Constantes hidrogeológicas
Retención Específica (Sr)
Es la cantidad de agua retenida contra la gravedad p
fuerza de retención de los pequeño poros cuando la
agua es deprimida.
Su valor es complementario al de la porosidad drena
como tal es adimensional.
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Porosidad Total y Eficaz
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Geología del Sistema Acuífero
¿Cómo la conocemos?
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Geología del Sistema Acuífero
Sobre la base del análisis ytratamiento de información de: muestras de suelo y subsuelo
prospecciones
Se elaboran perfiles
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Geología del Sistema Acuífero
Y correlaciones….
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Geología del Sistema Acuífero
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Geología del Sistema Acuífero
Y entonces….. será posible contar con una
caracterización más o menosajustada de las formacionesgeológicas que constituyen elsistema…
Esto quiere decir: definir la
ubicación espacial del techo, basey espesor de cada una de lasformaciones geológicas delsistema subterráneo,
….en otras palabras conocer suGEOMETRÍA
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Entrada: Ingreso de Agua al Siste
Infiltración-Percolación-Recarga
El Contenido
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El Contenido
Distribución del Agua en el Sue
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Distribución del agua en el subsuelo
Zona no saturada = humedad delsuelo (agua gravitacional o agua
vadosa Agua subterránea = zona saturada
Una cierta región por encima de latabla de agua por acción capilar, semantendrá frecuentemente con losporos llenos de agua, esta regiónes la llamada “orla o franja capilar ”.
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Distribución del agua en el subsuelo
Por encima de la tabla de
agua existe presión negativa(orla capilar)
-P cc =γ hcc
Por debajo de la tabla de agua
tenemos presiones positivas
P = γ D
D
hcc= carga capilar crítica
Comportamiento de las Formaciones Geológ
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Comportamiento de las Formaciones Geológ
Relación con el Contenido de Agua
Comportamiento de las Formaciones Geológ
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Comportamiento de las Formaciones Geológ
Relación con el Contenido de Agua
Comportamiento de las Formaciones Geológ
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Comportamiento de las Formaciones Geológ
Relación con el Contenido de Agua
ADEMÁS …
La ub icac ión relativa de las formacio nes acuíferas en la cogeológica (y la presencia de agua) conforman los ACUÍFERO
Esto s acuíferos pueden clas ific arse en:
• l ibres ,
• semiconf inados y
• conf inados
en func ión de las diferentes presio nes de alojam ien
agua.
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Clasificación de los acuíferos
Acuífero: Parte saturada del perfil del suelo y que tiene
facilidad de almacenar y transmitir el agua. Formado pdel suelo.
Capas que conforman el suelo tienen poco espesor ensu extensión horizontal
Con fines hidrogeológicos las capas del suelo se clasifi
Permeables Semipermeables
Impermeables
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Clasificación de los acuíferos
Acuífero libre: Un acuífero libre, llamado también
acuífero freático o capa freática, es unaformación permeable saturada limitadaen su parte inferior por una capaimpermeable.
El límite superior está formado por latabla de agua, la que se encuentra enequilibrio con la presión atmosférica.
El agua en un acuífero libre se llama
agua freática o libre.
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Clasificación de los acuíferos
Acuífero confinado
Es una formación permeable
completamente saturada de agua y cuyoslímites superior e inferior son capasimpermeables.
En los acuíferos confinados, la presión delagua en ellos, es generalmente mayor quela atmosférica, por tal razón, el agua enpozos que penetran en tales acuíferospermanecen por encima del nivel superiorde las capas permeables.
El agua de un acuífero confinado sedenomina agua confinada o aguaartesiana.
El valor de K ́ es prácticamente nulo enrelación con el valor de K .
P>Patm
Cl if ió
d íf
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Clasifación de acuíferos
Cl ifi ió
d l íf
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Clasificación de los acuíferos
Acuífero semiconfinado
Es una formación permeable saturada,
cuyo límite superior está constituido poruna capa semipermeable y cuyo límiteinferior puede ser una capaimpermeable o semipermeable.
La altura de la tabla de agua difiere amenudo de la de la carga piezométricay al agua confinada en la capapermeable.
En esos acuíferos para la obtención dela superficie piezométrica se utilizan lospiezómetros.
Debido a la diferencia en la cargahidráulica hay una componente del flujovertical que tiende a elevar o bajar lacapa freática.
El agua de un acuífero semiconfinado
se llama semiconfinada.
Cl ifi ió
d l íf
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Clasificación de los acuíferos
Acuífero semilibre
Es una formación casisemiconfinada, en la cual laconductividad hidráulica de la capasemipermeable (grano fino) es tangrande que la componente horizontalde flujo de esta capa no puede serdespreciada.
Este tipo de acuífero es una forma
intermedia entre el tradicional,acuífero semiconfinado y el acuíferolibre.
Desde el punto de vista del valor deconductividad hidráulica K’ valor dela capa ligeramente semiconfinantees ligeramente menor que K delacuífero propiamente dicho.
Cl ifi ió d l íf
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Clasificación de los acuíferos
Cómo se m e e el ag a en el s
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¿Cómo se mueve el agua en el su
Se necesita energía…
El agua se mueve de una mayor altura (car
hidráulica) de agua a una menor altura de a
¿Cómo se mueve el agua en el su
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¿Cómo se mueve el agua en el su
Movimiento
del agua en el suelo
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Movimiento del agua en el suelo
Movimiento
del agua en el suelo
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Movimiento del agua en el suelo
Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o carga total ( φ) Se define como el trabajo necesario para mover una cantidad unitaria de a
La expresión de la energía que causa el movimiento se puede dar por univolumen (para fluidos), por unidad de masa o por unidad de peso.
En las prácticas comunes de ingeniería, en las que trabaja solo un fluido, del agua dulce, se expresa la energía por unidad de peso.
Los potenciales son escalares no vectores, es decir, tienen solamente madirección.
El trabajo o energía en general, viene representado por el producto de ununa distancia en el sentido del movimiento, es decir:
Movimiento
del agua en el suelo
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Movimiento del agua en el suelo
Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o
total ( φ) Tenemos 3 clases de energía:
• Potencial
• De presión hidrostática
• Cinética
Movimiento
del agua en el suelo
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Movimiento del agua en el suelo
Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o
total ( φ) Energía total
Movimiento
del agua en el suelo
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Movimiento del agua en el suelo
Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o
total ( φ) Cuando la cantidad unitaria de agua se toma como la unidad de peso:
La ecuación (8.3), es la forma más conocida de la ecuación de Bernoulli.
8 5 Movimiento del agua en el sue
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8.5 Movimiento del agua en el sue
Potencial, carga hidraúlica, carga piezométrica o
total ( φ) Considerando que bajo condiciones naturales la velo
flujo subterráneo es baja, nos queda:
Movimiento
del agua en el suelo
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Movimiento del agua en el suelo
Potencial del agua en la zonasaturada La carga potencial o carga hidráulica
del agua de la zona saturada en unpunto A , es la elevación a la que elagua ascendería en un tubo abierto,cuyo extremo final coincidiera con elpunto en cuestión, midiéndose dichaelevación desde un plano de referenciaelegido arbitrariamente
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La Respuesta
Estado de Energía del Sistema
Estado del Sistema Acuífero en un Mo
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Dado A tr avés del análi s is de
una representación plana o
b i - dim ension al de lasup erf ic ie del agua
Su obtención requiere dela medición de unacantidad de puntosdiscretos que permitanaproximar elcomportamiento de unmedio naturalmentecont inuo
Estado del Sistema Acuífero en un Mo
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Dado Georreferenciación de
puntos
Determinación de la cotade boca de pozos
Medición de la profundidaddel nivel de aguasubterránea
Estado del Sistema Acuífero en un Mo
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Dado Determinación de niveles
de Agua
MAPA DE NIVELES
MAPAPOTENCIOMÉTRICO
MAPA PIEZOMÉTRICO
MAPA DE CURVAS
ISOFREÁTICAS MAPA DE CURVAS
EQUIPOTENCIALES
Estado del Sistema Acuífero en un Mo
D d
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DadoMAPA DE NIVELES
Este mapa permite obtenerinformación de cargas oniveles piezométricos
Estimar gradienteshidráulicos y caudales
Definir la dirección y
sentido del escurrimientosubterráneo
REFLEJA O CUANTIFICA
LA RESPUESTA ALSISTEMA CONSIDERADO
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Leyes de Funcionamiento
Velocidad del Flujo en Medios Poroso
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j
Es variable en función del tamaño y orientación de lo
Se puede definir una velocidad media en una direccisi se considera un volumen medio suficientemente g
Usualmente se obtiene de dividir el caudal que pasa
superficie perpendicular al flujo por el área total, y se
denomina velocidad de flujo o velocidad aparente (v)
Velocidad del Flujo en Medios Poroso
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j
Velocidad del Flujo en Medios Poroso
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j
Leyes en Medio
Contínuo
(Macroscópic
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Las leyes que traten el medio como un continuo con propiedmedias definidas se basan en la consideración de tres parám
fundamentales: POROSIDAD
CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA
COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO
Relación macroscópica fundamental LEY DE DARCY
Constantes
hidrogeológicas
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Las más importantes son:
Conductividad hidráulica Porosidad drenable
Secundarios:
Transimisibilidad o Transmisividad
Resistencia vertical Factor de fuga
Constantes
hidrogeológicas
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Conductividad hidráulica (K) Define la capacidad del medio poroso de transmitir al agua a través de si
Es la velocidad de infiltración que se presenta en un medio saturado, cuagradiente hidráulica es igual a la unidad:
Unidades son m/día o cm/hora (no confundir con velocidad)
Depende del fluido (viscosidad y densidad) y del medio poroso (la permeasolamente depende del medio poroso)
• En suelos salinos existen cambios en la K.
Constantes
hidrogeológicas
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Constantes
hidrogeológicas
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Transmisividad (T) La transmisividad o transmisibilidad es el producto de la conductividad hid
espesor del acuífero, considerando el flujo básicamente horizontal.
La transmisividad y la conductividad hidráulica son los dos parámetros qucapacidad de transmitir agua en los acuíferos.
Si la formación acuífera es de naturaleza estratificada, en donde los valorconductividad hidráulica no son constantes a lo largo del eje vertical y muevariación, la transmisividad T es expresada por:
Constantes
hidrogeológicas
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Resistencia hidráulica o Resistencia vertical (C) Es la resistencia que se opone al flujo vertical, es una propiedad específic
acuíferos semiconfinados
Llamada la recíproca del factor fuga o drenancia
Se define como la relación del espesor saturado de la capa semipermeabconductividad hidráulica vertical de la misma K v́ , es decir:
Caracteriza la resistencia de la capa semiconfinante o la fuga o drenancia
hacia abajo desde el acuífero o hacia el acuífero. Dimensionalmente tiene la concepción de tiempo, y generalmente se expr
En el caso extremo de que el acuífero es confinado,
Constantes
hidrogeológicas
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Constantes
hidrogeológicas
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Factor de fuga o drenancia (λ) El factor de fuga, determina la distribución de la fuga o drenan
del acuífero semiconfinado, es decir, determina el origen del aextraída de un pozo que alcanza el acuífero.
Altos valores de λ indican una gran resistencia al flujo del estrsemipermeable, en comparación con la resistencia del acuífepropiamente dicho. En tal caso la influencia de la fuga o drenatravés de la capa semiconfinante es bastante pequeña.
El factor λ tiene la dimensión de una longitud (L ) y es expresageneralmente en metros.
Constantes
hidrogeológicas
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Factor de fuga o
drenancia (λ)
Se representa como:
• Para un acuífero
semiconfinado simple:
8.4 Constantes hidrogeológicas
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Factor de fuga o drenancia (λ)
Para un acuífero semiconfinado doble
Definición de términos relacionados con el
permeable
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p
Suelo homogéneo:
Es aquel en el cual el estrato presenta las mismascaracterísticas físicas especialmente en textura y estdentro de los primeros 10 m de profundidad.
Suelo heterogéneo:
Es aquel en el cual el estrato varía en sus característ
físicas, presentándose estratificado dentro de los primm de profundidad.
Definición de términos relacionados con el
permeable
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p
Suelo isotrópico:
Es aquel en el cual la conductividad hidráulica es la misma pa
dirección de flujo, en este caso la conductividad hidráulica ho
igual a la vertical, es decir: KH = KV .
Suelo anisotrópico:
Es aquel en el cual la conductividad hidráulica cambia según
de flujo, en este caso la conductividad hidráulica horizontal es
la vertical, es decir KH ≠ KV .
Definición de términos relacionados con el
permeable
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p
Suelo isotrópico homogéneo:
Es aquel en el cual la conductividad hidráulica de lostiene el mismo valor en cualquier punto del acuífero yindependiente de la dirección de flujo.
Suelo anisotrópico homogéneo:
Es aquel en el cual la conductividad hidráulica en undirección, tiene el mismo valor en cualquier punto de
Definición de términos relacionados con el
permeable
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p
Ley de
Darcy
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Ley de Darcy Describe el movimiento del agua de la zona
saturada a través del suelo.
Caudal que fluye a través de un medioporoso por unidad de tiempo (Q) esproporcional a la sección transversal A, a ladiferencia entre cargas del fluido ∆φ en lassuperficies de entrada y de salida de lamuestra, es decir la pérdida de carga ∆φ =φ1 - φ2 , e inversamente proporcional a lalongitud de la trayectoria del flujo.
Flujo específico o descarga específica:
• q=Q/A (m3/día/m2)
Ley de
Darcy
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Ley de Darcy
Velocidad aparente:• v=Q/A, entonces de la ecuación 8.6 se tiene:
Velocidad real:
η es siempre menor que 1
Movimiento
del agua en el suelo
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Gradiente hidraúlico (i) Es el cociente entre la diferencia de carga
entre dos puntos y la distancia medida a lo
largo de la línea de corriente del flujo entreesos dos puntos
Es adimensional.
No confundir el gradiente hidráulico con lapendiente
Aplicando el concepto del gradientehidráulico, las ecuaciones de la Ley deDarcy, se pueden expresar como:
Movimiento
del agua en el suelo
Ejemplo 1
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Calcular el gradiente hidráulico de la figura
Movimiento
del agua en el suelo
Ejemplo 1: Solución
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De la ecuación (8.5), se tiene:
Del gráfico:
Φ1= h+L y φ2 = 0
luego:
Movimiento
del agua en el suelo
Ejemplo 2: Solución
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Calcular el gradiente hidráulico de la fig
Movimiento
del agua en el suelo
Ejemplo 2: Solución
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Del gráfico:
Φ1= H+Z1 y φ2 = (H-h)+Z2
Siendo Z 1 = Z 2 , se tiene:
Φ1- φ2=(H+Z1)-(H-h+ Z2)
Φ1- φ2=h
luego
i = h/L
Movimiento
del agua en el suelo
Ejemplo 3: Para que lo hagan….
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Calcular la conductividad hidráulica
del suelo (en m/día) puesto en el
permeámetro cilíndrico de la figuracuyo diámetro es 8 cm, teniendo en
cuenta que en el vaso se recoge 60
cm3 de agua en una hora y que la
carga de agua sobre el suelo es
constante.
Q = 60 cm3 /hr
6 cm
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¿PARA QUÉ NOS INTERESA CONOCER L
CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICASFORMACIONALES DEL SISTEMA ACUÍFE
Característic as o Parámetros h id ro geo lóg
T, S, m y me)
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caracterizar unidades hidrogeológicas
estudiar aspectos relacionados con la velocidad de escurrimiento
recarga, la vulnerabilidad del medio a la acción contaminante estimar la infiltración
diseñar instalaciones de drenaje
Característic as o Parámetros h id ro geo lóg
T, S, m y me)
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91/109
Característic as o Parámetros h id ro geo lóg
T, S, m y me)
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La Cuenca Hidrológica o
Hidrogeológica
Definic iones
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CUENCA HIDROGRÁFICA : superficie
total drenada por un río y sus afluentesaguas arriba (o lo que es igual, lacuenca topográfica). Queda definidapor la línea de crestas (divisoria deaguas superficiales).
CUENCA HIDROGEOLÓGICA : serefiere a la cuenca de aguassubterráneas, que puede no coincidircon la cuenca topográfica. Quedadefinida por la divisoria de lossistemas de flujos subterráneos.
Los Flujo s de Agua Sub terránea
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Recarga Natu ral y A rt i f ic ial
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Descarga Natural
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La descarga de agua subterráneapuede ocurrir naturalmente enambientes diversos: Fluviales
Lacustres
Costeros (marítimos)
Descarga A rt i f ic ial
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Bombeos
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Relación Carga
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Descarga
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Relación Carga
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Descarga
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Relación Carga
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Descarga
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Necesidad de Evaluación de las Reserv
Agua Subter ránea
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Regimen
Permanente y Transi to r io
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Régimen permanente
–No hay cambios en el tiempo y no haycambios en el almacenamiento
Régimen transitorio
–Hay cambios en el tiempo (flujo, caudales),
entonces hay cambios en el almacenamiento
Variación de los n iveles de agua sub ter
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Variación de los n iveles de agua sub ter
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Impactos de la extracción excesiva en z
costeras
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Impactos de la extracción excesiva en z
t ierra adentro
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Impactos de la extracción excesiva en z
t ierra adentro
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“Para reflexionar…….
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Una gota de agua vale más que un sa
para un hombre sediento.-Autor desc
Nunca reconoceremos el valor del ag
que el pozo este seco.-Thomas Fuller
El agua de gran calidad es más que e
los conservacionistas, más que un es
el agua de gran calidad, en su cantida
lugar, es esencial para la salud, recre
crecimiento económico.-Edmund S. M