Material de Estudio

conocimiento para crecer

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HIDROGEOLOGÍA APLICADA

Expositora: Ivonne Salas Rojas

Material de Estudio

DIPLOMADO INTERNACIONAL

EN MECÁNICA DE ROCAS

Silabo

RE-I&D-041

Revisión 02

Elaborado por: Gonzalo Ramos Fecha: 06/02/2012

Aprobado por: Juan C. Martínez Fecha: 14/02/2012

Revisado por: Juan C. Martínez Fecha: 14/02/2012

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I. INFORMACIÓN GENERAL Curso : HIDROGEOLOGIA APLICADA

Código del curso : DIN MR 2012 I LIMA

Programa : DIPLOMADO INTERNACIONAL EN MECANICA DE ROCAS 2012 I LIMA

Profesor : Ivonne Salas Rojas

Email : [email protected]

Duración : 24 horas

Fechas : 27 y 28 de Abril, 25 y 26 de Mayo del 2012

II. PRESENTACION El curso tocara los siguientes temas: Conceptos generales de hidrogeología., correspondiente a la Unidad I, en la Unidad II se verá el Modelamiento hidrogeológico. Veremos también el Software Modflow y la Hidráulica de captaciones en la Unidad III y IV respectivamente. III. OBJETIVOS GENERALES Que el alumno sea capaz de tener un conocimiento general de hidrogeología, para poder aplicarlo a sus necesidades profesionales. IV. OBJETIVOS ESPECIFICOS Aplicar los conocimientos de hidrogeología a estudios específicos en área de geología, minería o tema a fines de su interés. V. PREREQUISITOS No aplica, 1er curso del diplomado

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VI. EVALUACION

• Asistencia mínima : 70% al curso • Promedio mínimo aprobatorio : de 4.5 ó 13 en escala vigesimal

La composición de la evaluación para obtener el promedio final es:

Mecanismo de Evaluación * Ponderación Descripción

Evaluación de Inicio de Sesión 10% Evaluación durante los

primeros 30 minutos

Evaluación Grupal 30% Ejercicios propuesto en clase

Evaluación Final 60% Evaluación escrita de los temas vistos en clases y

exposición final

*Sujeto a variación

• Fecha de entrega de promedio final del curso: 2 semanas después de la finalización del curso

• Fecha de evaluación repetitiva (opcional): Es justificable el 30% de inasistencias siempre y cuando sean comunicadas con anterioridad a la fecha de inasistencia pero no en la entrega de trabajos o exámenes. Es responsabilidad exclusiva del alumno el no comunicar la inasistencia así como de no presentarse a la entrega de trabajos y evaluaciones VII. CONTENIDO DETALLADO DEL CURSO

Unidad I:

• Concepto de hidrogeológico • conceptos de hidrología e hidrogeología • ciclo hidrológico • recarga • tipo de acuífero • fases ciclo hidrológico • evaporación • evapotransporación • grado de saturación • ley de Darcy • granulometría • porosidad • gradiente hidráulico • flujo en paralelo y serie

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• permeabilidad • recarga • transmisidad • coeficiente de almacenamiento • superficie pizométrica.

Unidad II:

• ¿Qué es un modelo? • porque y para qué sirve • utilidad • tipos de modelos • ecuaciones • parametrización • calibración • metodología.

Unidad III:

• Software Modflow • aplicación conceptual.

Unidad IV:

• Hidráulica de captaciones • captaciones de aguas subterráneas, • hipótesis o condiciones de base • transmisividad, • coeficiente de almacenamiento • hidráulica de pozos en régimen estacionario • caso de acuífero cautivo • caso de un acuífero semiconfinado • caso de un acuífero libre sin recarga

VIII. PROGRAMACIÓN

DIAS HORARIOS

Viernes 19:00 a 22:30 horas Sábado 09:00 a 13:00 horas Sábado 15:30 a 20:00 horas

IX. MATERIAL DEL CURSO Se entregará:

• Material • CD’s

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X. PAUTAS COMPLEMENTARIAS El profesor es el responsable de la elaboración del material y de las actividades; así como quien absolverá las consultas que le realicen a través del correo electrónico. Adicionalmente la Coordinadora Académica será la encargada de supervisar el cumplimiento de las tareas, Ud. Podrá comunicarse con ella través de su correo electrónico. XI. BIBLIOGRAFIA 1.- Fundamento de Hidrogeología: Pedro Martínez et al .,2005. 2.- Fundamento de la Hilología de superficie: Francisco Aparicio 1992. 3.- Hidrología Aplicada: Ven Te Chow et al., 1994. 4.-Custodio E, Llamas M.R (1987) Hidrología Subterránea Primera Edición. Ediciones Omega, S.A, - Plató, 26, - Barcelona -6. Tomo I. 5.- Custodio E, Llamas M.R (1987) Hidrología Subterránea Primera Edición. Ediciones Omega, S.A, - Plató, 26, - Barcelona -6. Tomo II. 6.- CONAMA (2006). Estudio de la variabilidad climática en Chile para el siglo XXI. Informe Final. Departamento de Geofísica, Universidad de Chile. 7.- DICTUC (2007). Evaluación de la explotación máxima sustentable del acuífero de Huasco Modelamiento hidrogeológica del Valle del Río Huasco. Informe Técnico. Departamento de Administración de Recursos hídrico. Gobierno de Chile-Ministerio de Obras Publica, Dirección general de Aguas. 8.- Fuenzalida, H.; Falvey, M.; Rojas, M.; Sánchez, R.; Garreaud, R.; Aceituno, P (2007). Estudio de Variabilidad Climática de Chile para el siglo XXI. (CONAMA). Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile. http://www.dgf.uchile.cl/PRECIS. 9.- Garreaud, R (2011). Cambio climático: Bases físicas e Impactos en Chile. Revista Tierra Adentro-INIA, Nº 93, marzo-abril 2011. Universidad de Chile. 10.- GCF Ingenieros Consultores Ltda., (2004): Estudio de calidad de aguas subterráneas en los cauces de Huasco y Mataquito. Informe de la Comisión Nacional de Riego, Departamento de Estudios. Santiago.


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Diplomado Internacional en Mecánica de RocasHidrogeología Aplicada

Expositora

Ivonne Silvana Salas Rojas Doctora (c) en ciencias mención Geología por la Universidad Católica del Norte - Chile. Posee experiencia en empresas del sector minero de Chile. Ha trabajado en la Sociedad Química Minera de Chile (SQM), como Ingeniero de Control en CIA Falconbridge Lomas Bayas y como Supervisor de Muestrera en Verilab S.A.


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CONCEPTOS Hidrogeológicos

IVONNE SALAS [email protected]

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¿Qué ES LA HIDROGEOLOGIA?

¿QUE ES LA HIDROLOGIA?

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DIVISIÓN DE LA HIDROLOGÍA

Hidrología cualitativa• En la hidrología cualitativa el énfasis está dado en la

descripción de los procesos. Por ejemplo en ladeterminación de las formas y causas que provocan laformación de un banco de arena en un río, estudioasociado al transporte sólido de los cursos de agua; o alanálisis de la ocurrencia de condensaciones endeterminados puntos de una carretera, que afectan lavisibilidad y por lo tanto pueden aconsejar a cambiar eltrazado de la misma.

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Hidrología hidrométrica• La hidrología hidrométrica, o hidrometría, se centra en la

medición de las variables hidrologicas, se tratabásicamente de trabajos de campo, donde el usoadecuado de los instrumentos de medición, la selecciónadecuada de los locales en los cuales las medidas sonefectuadas y la correcta interpretación de los resultadoses fundamental para la calidad de la informaciónrecabada.

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Hidrología cuantitativa• El énfasis de la hidrología cuantitativa esta enel estudio de la distribución temporal de losrecursos hídricos en una determinada cuencahidrográfica. Los instrumentos más utilizadosen esta rama de la hidrología son losinstrumentos matemáticos, modelosestadísticos y modelos conceptuales.

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Hidrología en tiempo real• Es la rama más nueva de la hidrología, y se populariza

a partir de los años 1960 - 70, con el auge de las redestelemétricas, donde sensores ubicados en varios puntosde una cuenca transmiten, en tiempo real los datos auna central operativa donde son analizadosinmediatamente para utilizarlos en auxilio de la toma dedecisiones de carácter operativo, como abrir o cerrarcompuertas de una determinada obra hidráulica.

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Hidrología forestal• Es el estudio del ciclo hidrológico, es decir, la

circulación del agua entre la Tierra y laatmósfera en los montes, bosques o demásáreas naturales.

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CICLO HIDROLÓGICOLa hidrosfera, en sentido amplio está constituida por aguaen los tres estados (sólido, liquido y gaseoso) y estápresente en la capa atmosférica (vapor de agua, nubes) yen la corteza terrestre (ríos, lagos, acuíferos).El movimiento o cambios de estado vienen impulsado pordos causas:- Por energía térmica, que está generada por lasradiaciones solares y que es el desencadenante de loscambios de estado del líquido (líquido a gaseoso, sólido agaseoso o líquido).- Por gravedad, que supone el desplazamiento desde lascotas altas a las cotas bajas de las masas de agua.

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CICLO HIDROLÓGICO DEL AGUA

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FASES DEL CICLO HIDROLÓGICO

• Evaporación• Precipitación• Retención• Escorrentía superficial• Infiltración• Evapotranspiración• Escorrentía subterránea

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DEFINICIONESAcuífero: formación geológica que permite el almacenamiento y latransmisión de agua por poros o por grietas, proporcionandocantidades apreciables de agua para su explotación de una manerafácil y económica.

Acuífugo: formación geológica absolutamente impermeable que noalmacena agua ni la transmite

Acuitardo: formación geológica de baja permeabilidad que almacenaagua y la transmite muy lentamente. No es posible su explotacióndirecta pero puede recargar, en la vertical, a otros acuíferos.

Acuicludo: formación geológica que almacena agua pero no latransmite. Lo que hace que no sea posible su explotación .

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CLASIFICACIÓN DE LOS ACUÍFEROS

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ACUÍFERO LIBRE

En estos acuíferos existe unazona impermeable que sirve debase a una zona permeablesaturada de agua. Más arriba,existe una franja permeable.

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ACUÍFERO CONFINADO

En este caso, la rocapermeable quedaconfinada por encima ypor debajo en terrenosimpermeables. Todo elespesor del acuíferoestá saturado de agua yla presión de agua en losporos o fisuras es mayorque la atmosférica.

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ACUÍFERO SEMICONFINADO

En los acuíferos semiconfinados,una de las rocas encajantes noes totalmente impermeable ypermite cierta transmisión deagua través de ella.

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EVAPORACIÓN

• - Estanque de evaporación• - Evaporímetros de balanza- Superficies de papel húmedo

• Estanque Clase A: corresponde a un depósito cilíndrico de acero• inoxidable con un diámetro de 120 cm y 25,4 cm de altura, instalado• sobre un enrejado de maderas de 15 cm de altura.

• Evaporímetro de balanza: corresponde a un depósito de 25º cm2

• De Sección y 35 mm de altura lleno de agua e instalado sobre una• balanza. Se puede utilizar como evaporígrafo.

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EVAPOTRANSPIRACIÓNEvapotranspiración: resultado del proceso por el cual pasa de estado líquidogaseoso, directamente o a través de las plantas.Todos los factores que influyen en la evaporación y transpiración influirán porconsiguiente en la evapotranspiración.• Unidades: mm (la más usual)

Métodos para el cálculo de la evapotranspiración:Medidas directas• Evapotranspirómetros• Lisímetros• Parcelas experimentales (cientos de m2)• Cuencas experimentales (5-10 km2)• Perfiles de humedad del suelo

Métodos empíricos• Formula de Thornthwaite• Formula de Turc

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MÉTODO DE THORNTHWAITE

Utiliza como variable primaria para el cálculo de evapotranspiración potencialMedia mensual de las temperaturas diarias del aire. Con ella calcula un índicede calor mensual i según la formula

i = (t/5)1.514 (1)

y halla el valor del índice de calor anual I sumando los doce índices mensualesdel año

I = Σi (2)

Para meses teóricos de 30 días, con 12 horas diarias de sol, formula lasiguiente expresión:

ε = 16(10t/I)a (3)

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Donde:

ε = evapotranspiración potencial media en mm/díat = temperatura media diaria del mes en ºCI = índice de calor anualA = 675*10-9*I3 – 771*10-7*I2+1792*10-5*I + 0.49239

Finalmente tiene en cuanta la duración real del mes y elnúmero máximo de horas de sol, según la latitud del lugar yllega a la expresión:

ETP = K*ε

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Donde:

ETP = evapotranspiración potencial en mm por mesK = (N/12) * (d/30)N = número máximo de horas de sol según la latitud (Tabla 6.3, Custodio y Llamas, 1983)d = número de días del mesε = valor obtenido con la formula (3)

Los valores de i están tabulados en la Tabla 6.12 (Custodio y Llamas, 1983) y los valores de ε en función de I y t, según la formula (3) en la Tabla 6.13 (Custodio y Llamas, 1983).

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GRADO DE SATURACIÓN

El grado de saturación de agua en un terreno, depende de lacantidad de agua que se encuentra en los espacios vacios delterreno. Esto nos lleva a considerar dos ámbitos: la zonasaturada y la zona no saturada.Grado de saturación:

Siendo Vp = volumen de poros y Va = volumen de agua en los poros

Se define el medio saturado como aquellas zonas del terreno enlas que los poros están íntegramente ocupados por agua (S=1).

pa

VVS =

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LEY DE DARCY• Esta es la ley básica de la hidrología subterránea y nos indica que la

velocidad de Darcy es proporcional al gradiente. Al coeficiente deproporcionalidad se le llama permeabilidad del terreno y, en el caso masgeneral, tiene carácter vectorial.

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Ley de Darcy (II)v = k * i = Q/Adonde:v = velocidad de Darcy o descarga específica (m/día)i = gradiente hidráulicok = permeabilidad o conductividad hidráulica (m/día)Q = caudal del flujo (m3/s)A = sección transversal y perpendicular al flujo (m2)

La Ley de Darcy es una ley macroscópica que representael comportamiento de un número elevado de poros. Norepresenta en modo alguno el comportamiento del agua quecircula por un poro.

La Ley de Darcy es valida solo para flujo laminar y noturbulento.

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GRANULOMETRIAGRANULOMETRIA: Determina la distribución de las partículas portamaño de unamuestra de suelo. FRACCION GRUESA FRACCION INTERMEDIA FRACCION FINA

PROCEDIMIENTO=> ANALISIS GRANULOMETRICO => CURVA GRANULOMETRICA

=> Fraccion mayor a 0,075 mm (Tamiz #200)=> Analisis por via seca

=> Tamizado=> Fraccion menor a 0,075 mm (Tamiz #200)

=> Analisis por via humeda=> Metodo del Hidrometro

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GRANULOMETRIA

TAMIZADO

SERIE DE TAMICES

TAMIZADO

SERIE DE TAMICES

TAMIZADO

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Número de ReynoldRe = (V*d*ρ)/μ

Donde:V = velocidad del flujod = tamaño medio de las partículas (cm)ρ = densidad del flujo (g/cm3)μ = viscosidad dinámica

La ley de Darcy es valida para números de Reynoldscomprendidos entre 1 y 10. Para valores mayores a 60 elflujo es completamente turbulento.

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POROSIDAD

Hay cuatro tipos principales de espacios vacíos, o poros, en una roca y/o sedimento:

(i) espacios entre granos minerales,

(ii) fracturas,

(iii) cavidades por disolución y/o

(iv) vesículas.

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Porosidad eficaz (me)En hidrogeología lo que en realidad interesa son los

poros interconectados y a veces los semicerrados. Así nace elconcepto de porosidad eficaz

Ve = volumen de poros interconectados ≤ Vp

Porosidad eficaz = me = Ve/V

No obstante el concepto de porosidad eficaz es relativoy depende del tiempoEjemplo: arcilla es igual a 0, pero a largo plazo es de hasta25%.

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CAPACIDAD ESPECÍFICA Y RETENCIÓN ESPECÍFICA

• La capacidad específica (Sy) es la razón entre el volumen deagua que drena desde una muestra de suelo saturado debidoa la acción de la gravedad y el volumen total de la muestra.Su complemento es la retención específica (SR)

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GRADIENTE HIDRÁULICO

En un fluido en movimiento, la energía mecánica consta de trestérminos: el de la presión, el de la posición (o altura) y el de lavelocidad. Así la energía mecánica de un fluido en función dedichos términos se expresa como:

Y que constituyen los términos característicos de la ecuación deBernoulli, que es la ecuación general de hidrodinámica.En general, el movimiento de las aguas subterráneas es muylento, por lo que el término de energía cinética es despreciable.Así solo se consideran los términos de presión y posición:

gvzp2

2++

γ

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La suma de estos dos términos, en cualquier punto delacuífero, es el indicador del nivel energético del fluido (ennuestro caso, agua) en dicho punto. Como siempre, lasdiferencias de niveles energéticos inducirán movimientos, deforma análoga a como se sucede con una esfera que, situadasobre un plano inclinado se desplaza según la dirección demáxima pendiente.

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FLUJOS EN PARALELO Y EN SERIESe define por flujo en paralelo, el flujo que pasa paralelamentepor varias capas paralelas o estratificadas de materiales dedistintas permeabilidades. En esta situación, la permeabilidadglobal es paralela a la estratificación y a la dirección del flujo.

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Cada nivel de permeabilidad ki y de espesor bi sufre lamisma pérdida de carga .h, la cantidad total de agua quecircula por toda la sección es la suma de la que circula porcada capa. Así el caudal que circula por la capa 1 sería:

Para la capa n:

Luego el caudal total que pasa por el conjunto sería:

Lhkbq Δ

= *1*11

Lhknbnqn Δ

= **

∑Δ= knbn

Lhq **

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Se define por flujo en serie, al flujo que pasaperpendicularmente por capas estratificadas de materiales dedistintas permeabilidad, según una sección de paso S.

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En este caso, el caudal es único y para cada tramo de secciónvertical S, tenemos un caudal, es decir, tenemos que:

Tal que:

LihikiSqi Δ

= **

∑Δ=Δ hih ∑Δ=Δ LiL

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PermeabilidadEn la ley de Darcy, el factor k varía según la direcciónde cada vector. Su valor es una constante para cadamedio y cada fluido en unas mismas condiciones (engeneral, está ligado a la porosidad eficaz del terreno,así un terreno muy poroso será muy permeable). Asípues, la permeabilidad, depende del medio y del fluido,principalmente de su densidad y de su viscosidad. Paraque un coeficiente k0 dependa sólo del medio, se debecumplir la igualdad siguiente:

k = ko γ/µko = permeabilidad intrínseca, especifica, geométrica o coeficiente de permeabilidad del terrenoγ = peso especifico del fluidoµ = viscosidad del fluido

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Homogeneidad, heterogeneidad, isotropía y anisotropía

Un medio se llama homogéneo cuando suspropiedades son constantes en cualquier lugar delmismo. Si estas propiedades varían de un lugar a otrose llama heterogéneo. Estrictamente todo medioporoso es heterogéneo, no obstante, a efectosprácticos macroscópicamente puede considerarsehomogéneo.

Un medio se llama isótropo cuando sus propiedadeshidráulicas, especialmente la permeabilidad, nodependen de la orientación. Si las propiedadeshidráulicas varían según la orientación entonces elmedio es anisótropo. La anisotropía es una propiedadcomún en los terrenos sedimentarios debido a supropia génesis.

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RECARGA

En términos generales se denomina recarga al proceso por elque se incorpora agua procedente del exterior al contorno quelo limita. Son varias las procedencias de esa recarga, desde lainfiltración de la lluvia (la más importante en general) y de lasaguas superficiales (importante en climas poco lluviosos), hastala transferencia de agua desde otro acuífero o Acuitardo.

Se llama recarga tanto al volumen de agua que penetra en uncierto intervalo de tiempo como al flujo unitario (tasa derecarga), en volumen por unidad de tiempo (L3T‐1), la quetambién es frecuente darla como volumen por unidad desuperficie y unidad de tiempo, o altura por unidad de tiempo(LT‐1)

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Transmisividad, TCapacidad de un medio para transmitir agua. Es el productode la permeabilidad por el espesor del acuífero: T = k x b. Sila permeabilidad varía a lo largo del perfil del acuífero deespesor b, la transmisividad vendrá dada por:

∫ ×=

b

dzkT

0

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Coeficiente de almacenamiento, S

Volumen de agua liberado por una columna de acuífero dealtura igual al espesor del mismo y de sección unitaria, aldisminuir la presión en una unidad. En acuíferos libres elcoeficiente de almacenamiento coincide con la porosidadeficaz y su valor puede oscilar entre 0,01 y 0,4 siendo elintervalo más frecuente entre 0,1 a 0,3. En acuíferos cautivosy semiconfinados el coeficiente de almacenamiento es devarios ordenes de magnitud inferior al de la porosidad eficaz,en general entre 10‐5 y 10‐3 .

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PROBLEMA

Se tiene un acuífero cautivo moderadamente rígido cuyaextensión superficial es de 130 km2. Su permeabilidad media esde 10 m/día y su potencia media es de 40 m. El material estaformado por arenas finas relativamente homogéneas ydébilmente cementadas.

Si el techo del acuífero esta a 50 m de profundidad y el nivelpiezométrico inicial esta a 10 m sobre el nivel del terreno, ypuede admitirse que el nivel confinante es totalmenteimpermeable. ¿qué volumen de agua puede extraerse sin queel sistema deje de ser cautivo?

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Supuestos adicionales razonados:Máximo descenso del nivel piezométrico para que el acuíferodeje de ser cautivo = Δh = 10 + 50 = 60 m.Suponemos S = 10‐4

V = área x Δh x S= 130x106 m2 x 60 m x 10‐4

= 780.000 m3

= 0,78 hm3

¿De qué orden de magnitud es el volumen total de aguaalmacenada en el sistema acuífero?Suponemosm = 0,25V = área x espesor xm = 130 x106 m2 x 40 m x 0,25= 1300 x 106 m3

= 1300 hm3

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SUPERFICIES PIEZOMÉTRICAS

‐ Una superficie piezométrica es el lugar geométrico de lospuntos con la misma altura piezométrica para cada una de lasporciones de un acuífero, referidas auna determinada profundidad.‐Las superficies piezométricas se representan mediante curvasllamadas isopiezas o hidroisohipsas, que son líneas de igualaltura piezométrica; y que se asocian también a líneasequipotenciales.‐ A partir de las líneas equipotenciales, se trazan las líneas deflujo o líneas de corriente y que deben ser normales a lasisopiezas.

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Trazado de isopiezasPara trazar las isopiezas, hay que tener en cuenta lascondiciones del límite o borde, es decir, si el borde esimpermeable o permeable.∙ Borde impermeable:Un borde impermeable se considera como una línea de flujo.No existe flujo a su través y las líneas equipotenciales sonperpendiculares.

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∙ Borde permeable:Un borde permeable se considera como un potencial hidráulicoconstante; se representa mediante una isopieza y las líneas deflujo se disponen.

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∙ Construcción de isopiezasSupongamos que tenemos los puntos de medida dispuestoscomo sigue, donde la letra es el nombre del punto y elnumero indica el nivel piezométrico:

A continuación unimos los puntos mediante líneas rectas, ytrazamos también

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TRAZADO DE SUPERFICIES PIEZOMÉTRICAS: MÉTODO

Consiste en dibujar las isopiezas de un acuífero a partir de valores puntuales del nivelpiezométrico medido en un conjunto de puntos discretos (pozos, sondeos,manantiales

El trazado de las isopiezasrequiere:

1) que los valores de nivel(freático o piezométrico)medidos correspondan aun mismo acuífero;

2) que estén expresados encotas absolutas (m sobreel nivel del mar).

Trazado de superficies piezométricas: MétodoLa determinación del lugar porel cual pasan las isopiezas serealiza mediante interpolacióngeométrica sobre el mapa.

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TRAZADO DE SUPERFICIES PIEZOMÉTRICAS: PRECAUCIONES

1. La traza de las isopiezas debe ser coherente con la topografía.- En acuíferos libres la superficie freática no puede estar más alta queel terreno (salvo que se sepa que las isopiezas intersectan la topografía,generando descarga a manantiales, ríos, lagos, barrancos, etc.).- En acuíferos confinados las isopiezas sí pueden estar más elevadasque la superficie del terreno (caso de los niveles piezométricos departes profundas del acuífero cerca de la zona de descarga del mismo).

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2. Las isopiezas deben ser perpendiculares a los límites impermeables del acuífero yparalelas a las superficies y líneas de nivel constante (lagos, mar, etc.) que tenganconexión hidráulica con el acuífero.

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3. Relación isopiezas-líneas de drenaje del acuífero (ríos, zonas lineales de• descarga):• - Las isopiezas se cierran de forma cóncava* sobre las líneas que drenan• al acuífero• - Y de forma convexa* sobre las líneas que son drenadas por el• acuífero• * Siempre mirando en el sentido del flujo del río

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4. La separación espacial entre isopiezas será menor cuando aumente el gradientehidráulico (i) por alguna de estas razones:

• a) Disminución de la permeabilidad del medio;• b) Existencia de una zona de descarga natural del acuífero;• c) Existencia de bombeos, etc.

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MODELOS HIDROGEOLÓGICOS


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¿QUÉ ES UN MODELO?

• Es una representación más o menosajustada de la realidad que se quiereestudiar y que nos permite analizardiferentes acciones o hipótesis sobrela misma.

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PORQUÉ/PARA QUÉ

• Conocimiento del sistema hidrogeológico.

• Conocer la reacción de un sistema real frente aposibles acciones que se desea llevar a cabo en elmismo, antes de afectar el sistema.

• Analizar distintas hipótesis de actuación.

• Predecir el futuro.

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CÓMO

• Recopilación de todo tipo de datoshidrogeológicos:pluviometría, químicos,piezométricos, geológicos, etc.

• Planteamiento de hipótesis para definir el modeloconceptual.

• Definición de los procesos que se van a tener enconsideración.

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UTILIDAD

• Obliga a integrar todos los datos disponibles: elloconlleva

• analizar su coherencia, su alcance, etc.• Aspectos físicos• Procesos a considerar (químicos, biológicos,

etc.)• Datos: meteorológicos, geofísica, geología, etc.

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FLUJO

• Cantidad de agua• Evolución temporal• Estudio de actuaciones (bombeos, inyecciones,etc.)

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TRANSPORTE DE SOLUTOS

• Estudios de contaminación (goteo de depósitos,vertidos

• industriales, etc.)• Evolución.• Repositorios (residuos industriales y radioactivos).

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MODELO CONCEPTUAL

• Descripción de los procesos físico-químicos relevantes• (simplificaciones) en un sistema para representar• los aspectos necesarios en la aplicación de un modelo

• Muchos factores intervienen en lo que es relevante• Escala• Objetivos del modelo• Número y calidad de los datos• Recursos y tiempo disponibles• Dimensionalidad• Tipo de datos, e.j. Descensos/niveles

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MODELO CONCEPTUAL• La etapa inicial de la modelación es la recopilación deantecedentes de terreno y la elaboración del modeloconceptual de funcionamiento del acuífero.

• El modelo conceptual se inicia con el conocimientode la geología de la zona de estudio.

• Definido el modelo conceptual del sistema acuífero,se debe proceder a discretizar el dominio delacuífero, considerando que en zonas de gradientehidráulico y en las zonas de mayor interés se debeutilizar malla pequeñas e incluso diferentes estratos.

• También se debe asignar las propiedadeshidrogeológicas a cada celda, como la conductividadhidráulica, el coeficiente de almacenamiento o laporosidad.

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MODELO MATEMÁTICO

• Las ecuaciones describen el escurrimientoen un medio heterogéneo y anisotropico.

• Existen varios enfoques numéricos pararesolver esta ecuación, una de ellas es elmétodo de diferencias finitas que consisteen representar el sistema continuodescrito por la ecuación anterior a travésde un conjunto discreto y finito de puntosen el espacio y el tiempo.

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MODELO MATEMÁTICO DE VISUAL MODFLOW

• Modflow es un programa computacional basada en elesquema de diferencias finitas que permiten modelarun sistema acuífero en 3D.

• Visual Modflow trabaja con un sistema finito de celdasrepresentadas por una grilla sobrepuesta al terrenoque se desea modelar cada una de las celdascomponentes de esta grilla posee propiedadeshidrogeológicas particulares incorporadas alprograma.

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MODELO NUMÉRICO

• Las ecuaciones del modelo matemático suelen serdemasiado complejas por lo que no se pueden resolveranalíticamenteSe resuelven numéricamente.• Elementos finitos, diferencias finitas, volúmenes• finitos, etc.El modelo numérico consiste en un programa computacionalque resuelve las ecuaciones de flujo del agua subterráneaen base a una discretizacion espacial del dominio, a laque asignan condiciones de borde, condiciones inicialesy las propiedades hidrogeológicas del acuífero.

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ECUACIONESFlujo

∇ ( K ∇ h ) + q = S∂∂

ht

Cond. Cont. K ∇ h n = α ( H - h ) + Q

Transporte∇ ( D ∇ c ) - q ∇ c - λ φ R c + q ( c e - c ) -

-σ m φ m D m∂∂ η η

c m0= φ R t

c∂∂

Difusión en la matriz

R m∂∂c

tm

= D m∂∂ η

2

2

c - λ D m c 0 ≤ ≤η b m

Flujo de Darcy q = -K ∇h

Cond. Contorno D ∇ c n = β ( c e - c )

c m ( x , 0 , t ) = c ( x , t )

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PARAMETRIZACIÓN

• Qué es?

• Describir la variación espacial y temporal• de los parámetros físicos.

Porqué se necesita?

Sólo se dispone de unos pocos datos, pero elmodelo necesita conocer el valor de todos y cadauno de los parámetros en todo el dominio.

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PARAMETRIZACIÓN

• Es el proceso por el cual se pasa de los• “parámetros reales” a los parámetros “del• modelo matemático”.• Casi todas las parametrizaciones se pueden• escribir como:

∑=j

pjj xpxp )()( ϕ

De este modo se obtienen entre otras:• Zonación• Puntos piloto• Kriging/cokriging• Etc.

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MODELO NUMÉRICO

• Generación de malla (discretización espacial).• Discretización temporal.• Transformación de datos (pasar la información a datos

nodales o de elemento)• Definición de las condiciones de contorno • Selección de un código: Adaptación de los datos a éste• Simulación• Calibración• Análisis de sensibilidad • Validación• Toma de decisiones

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MÉTODO DE RESOLUCIÓN DE LAS ECUACIONES

• Elementos finitos

• Diferencias finitas

• Volúmenes finitos

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DIFERENCIAS FINITAS

• Ventajas:

• Mallas muy sencillas• Es más intuitivo

• Desventajas:• Mayores complicaciones de adaptación a contornos

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ELEMENTOS FINITOS

• Ventajas:

• Fácil adaptación a contornos

• Desventajas:

• Mallas más complejas

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CONDICIONES INICIALES

• Sólo para problemas transitorios• Debería ser el estado inicial antes de la simulación• A veces se toma la solución estacionaria• Si la condición inicial está lejos de la realidad puede• dar lugar a problemas sobre todo al inicio de la simulación• En problemas no lineales puede dificultar la convergencia

A tener en cuenta:

Si el código usa un solver iterativo, aunque elproblema sea estacionario se requiere un dato departida (también si el problema es no lineal)

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ERRORES

• Error numérico: Diferencia entre la solución exactade las ecuaciones y la numérica

Error conceptual: Diferencia entre la piezometría realy la solución exacta de las ecuaciones conlas que aproximamos la realidad

Error de medida: Diferencia entre la piezometría real yla medida

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MODELOS

• Herramientas de interpretación• Un modelo SIEMPRE saca resultados• Es básico revisar a fondo los datos• Organización en la realización:

Datos de partidaOrganización en los directoriosGuardar archivo con información de los archivos y directoriosgenerados

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CALIBRACIÓN

• La etapa siguiente del proceso, consiste en la asignación delos parámetros que definen el comportamiento del aguasubterránea en el dominio:como la conductividad hidráulica,el coeficiente de almacenamiento,las condiciones de borde,la recarga, de manera de igualar el sistema natural con

el modelo.• La calibración no da resultados únicos, lo que significa que

existe otras combinaciones de parámetros que puedenentregar un buen ajuste a los datos observados.

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CALIBRACIÓN: ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS

• Resultados del modelo muy distintos a la realidad

Modelo conceptualValores de los parámetrosError del código: código o usuario

Repasar cuidadosamente la entrada de datosCalibración: Comparando los valores calculados ymedidos de niveles/descensos/presiones,concentraciones, etc., se varían los parámetros hastaconseguir que estos valores se parezcan

Qué parámetros se mueven?Cuánto se varían?Cuántos se pueden variar?

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CALIBRACIÓN (II)

• Problemas con la calibración• No hay forma de ajustar los niveles• No unicidad. Existencia de más de un conjunto de • Parámetros que llevan a un ajuste similar• Inestabilidad. Variaciones pequeñas en los datos llevan

a parámetros muy distintosCalibración manualEl usuario decide cuánto y qué parámetros hay quecambiar basándose en su experiencia y conocimiento

Calibración automáticaEl programa decide cuánto hay que cambiar losparámetros basándose en una fórmula objetiva

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ObjetivosDatos Modelo conceptual

Abstracción

Modelo matemático

Modelo numéricoSelección del código

Calibración

Análisis de errores/ sensibilidad

Predicción

Validación

Estimación de parámetros

Incertidumbre de los parámetros

Verificar el modelo con nuevos datos

METODOLOGÍA

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Visual ModflowIVONNE SALAS [email protected]

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FLUJO

TRANSPORTE

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CONDUCTIVIDAD

FLUJO

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PUNTO DE BOMBEO

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POZO EXTRACION O INYECCCION

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ALMACENAMIENTO

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transporte

TRANSPORTE

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HIDRAULICA DE CAPTACIONES


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CAPTACIONES DE AGUA SUBTERRÁNEA

El objeto de una captación de aguas subterráneas es el deextraer el agua de un acuífero con el máximo rendimiento.Cuando la zona saturada de un acuífero está en contacto con lasuperficie del terreno, la extracción se realiza por drenajenatural a través de una fuente o manantial. Fuera de este caso,la captación debe realizarse mediante una obra de acceso alacuífero y dentro de él con una obra que permita la extracciónde agua. La extracción se efectúa artificialmente por bombeo onaturalmente por gravedad (galerías) o por presión (pozossurgentes).

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HIPÓTESIS O CONDICIONES DE BASEPara la realización de los ensayos de bombeo puedesuponerse que las características físicas del acuífero son lassiguientes:– Acuífero homogéneo e isótropo– Acuífero de extensión infinita– Acuífero con base horizontal y espesor constante– Niveles iniciales horizontales– Flujo horizontal y radial– Se cumple la ley de Darcy– Pozo totalmente penetrante y de radio pequeño– Caudal constante

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TRANSMISIVIDAD, T

Capacidad de un medio para transmitir agua. Es el productode la permeabilidad por el espesor del acuífero: T = k x b. Sila permeabilidad varía a lo largo del perfil del acuífero de

espesor b, la transmisividad vendrá dada por:

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Diapositiva 5

COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO, S

Volumen de agua liberado por una columna de acuífero dealtura igual al espesor del mismo y de sección unitaria, aldisminuir la presión en una unidad. En acuíferos libres elcoeficiente de almacenamiento coincide con la porosidadeficaz y su valor puede oscilar entre 0,01 y 0,4 siendo elintervalo más frecuente entre 0,1 a 0,3. En acuíferoscautivos y semiconfinadosel coeficiente dealmacenamiento es de varios ordenes de magnitud inferioral de la porosidad eficaz, en general entre 10‐5 y 10‐3.

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Diapositiva 6

HIDRÁULICA DE POZOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO

•Al principio del bombeo la depresión espequeña H es función de la distancia al pozo ( r )y del tiempo ( t )

s = Ho – h = s ( r , t )•Para tiempos grandes se alcanza una situaciónde equilibrio y s ( r ).

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Diapositiva 7

CASO DE UN ACUÍFERO CAUTIVO

•Se debe cumplir que el caudal de agua bombeada debe ser igual al flujoque atraviesa cualquier superficie equipotencial, las cuales son cilindrosverticales concéntricos con el pozo. Así:

•Flujo = perímetro * transmisividad * gradiente = caudal del pozoPor Darcy:

Flujo = 2 π r T dh/dr = Qsiendo:•r = radio del cilindro considerado = distancia radial al eje del pozo•h = nivel piezométrico correspondiente al cilindro considerado•T = transmisividad•Q = caudal extraído•

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Diapositiva 8

RESOLVIENDO LA ECUACIÓN DIFERENCIAL OBTENIDA:

rdr

TQdhπ2

=

∫ ∫=rdr

TQdhπ2

rR

TQ

rR

TQ

rr

TQhhs log366,0log

23,2ln

21

1 ===−=ππ

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CASO DE UN ACUÍFERO SEMICONFINADO

A las hipótesis establecidas inicialmente se debe agregar:‐ La recarga se establece a partir de otro acuífero situadoencima o debajo del semiconfinado y tal que en estado enreposo en ambos acuíferos tengan el mismo nivelpiezométrico‐ El acuífero que recarga mantiene un nivel piezométricoconstante‐La recarga es lo suficientemente pequeña como para suponerque las líneas de corriente, prácticamente verticales en elacuitardo, se curvan bruscamente hasta ponerse horizontalesal entrar en el acuífero.La fórmula básica es la fórmula de De Glee:

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Diapositiva 10

En la que Ko esta tabulada y cuya representación gráfica sepresenta en la figura adjunta.B es el factor de goteo:

siendo:T = Transmisividad del acuíferok’ = permeabilidad vertical del acuíferob’ = espesor del acuitardoPara valores de r/B<0,1, puede emplearse la fórmula:

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Diapositiva 11

CASO DE UN ACUÍFERO LIBRE SIN RECARGA

En principio, un acuífero libre sin recarga puede asimilarse a unacuífero cautivo siempre y cuando la superficie libre del agua semantenga aproximadamente horizontal.‐La diferencia fundamental esta en el valor mucho más grande delcoeficiente de almacenamiento del acuífero libre.‐Si el descenso producido es importante con respecto al espesor delacuífero, la transmisividad es variable en el espacio.‐Una primera aproximación, válida en la mayoría de los casos, es laaproximación de Dupuit que consiste en admitir:a) El flujo es perfectamente horizontalb) EL gradiente que origina el movimiento del agua viene definidopor la pendiente de la superficie freática y vale dH/dx, siendo x ladimensión horizontal y H el espesor saturadoc) La velocidad es constante a lo largo de una misma vertical

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Diapositiva 12

Con las aproximaciones de Dupuit es posible tener en cuentael efecto de la variación de la transmisividad al variar elespesor del acuífero saturado. Teniendo en cuenta que elespesor saturado de acuífero a distancia r vale H, se tendráque:

drdHrHkQ π2=

ArkQH += ln2π

rRlog

KQ0,73

rRln

πKQ2H2

oH ==−

que es la fórmula de Dupuit

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Diapositiva 13

HIDRÁULICA DE POZOS EN RÉGIMEN TRANSITORIO

• El descenso es función de la posición y eltiempo S ( r , t )

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Diapositiva 14

CASO DE UN ACUÍFERO CAUTIVO

La fórmula básica que describe el fenómeno es la deTheis:

)(88,0)(4

uWTQuW

TQs ==π Tt

Sru4

2=

Basta calcular el valor de u o 1/u en un cierto punto a unadistancia r del pozo en el tiempo t después de iniciado elbombeo, conocidos los valores de T y S del acuífero, y conellos determinar W(u) en las tablas o en los gráficos.El descenso teórico en el pozo vendrá dado por:

)(88,0)(4 ppp uW

TQuW

TQs ==π Tt

Sru p 4

2=

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Diapositiva 1

GEOMORFOLOGIA Y MORFOTECTONICA ENTRE

ARICA‐ANTOFAGASTA

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Diapositiva 2

Cordillera de la costa (CC)Depresión Central (CD)Precordillera (P)Cordillera de Domeyko

(DC)Depresión Preandina (DP)Arco Volcanico y

Cordillera Occidental (WC)

UNIDADES TECTONICAS.

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Diapositiva 3

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Características geomorfológicas principales de los Andes centrales. 1, cordillera dela costa. 2, depresión central. 3, antearco precordillera y cordillera occidental. B)sección esquemática del norte, segmento con alto angulo de subducción. AB: Basede Arica; CC Cordillera de la Costa; CD: Depresión Central;; FP: precordillera deantearco; WC: cordillera occidental; EC: cordillera oriental; SS: pampeanas; T:trech;. Imagen tomada de Charrier et al., 2007.

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Diapositiva 4

Unidades tectónicas del sector de Arica 18°25’

Diagrama de bloque del antearco del norte de Chile (zona de Arica), como resultado de la superposición de la imagen LANDSAT-TM5 y el modelo de elevación topográfica.

(Marcelo Garcia, Gérard Hérail, 2004)

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Diapositiva 5

PERFIL DEL SECTOR DE ARICA (18º45´S)(SALAS ET AL.1966, PARRAGUEZ 1997; GARCIA 2001, 2002)

W E

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Diapositiva 6

Mapa Estructural del SistemaInverso (WTS) y el Sistema InversoEste (ETS) para la región de Arica.

Garcia (1996,2002), Muñoz &Charrier (1996), Pinto (1999),Victor (2000), Victor at al. (2004)and Farias et al (2005)

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Diapositiva 7

UNIDADES TECTÓNICAS 21°, ALTURA DEL VOLCÁN OLCA-PARUMA, REGIÓN DE TARAPACÁ

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Diapositiva 8

Sección esquemática E‐W de Mejillones, muestra unidades morfoestructurales yprincipalmente elementos estructurales que define las principales características delrelieve. Imagen tomada de Charrier et al., 2007

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Diapositiva 9

Sección de la corteza de la Precordillera del sector sur del salar de atacama(23°32’) a la cordillera occidental. El margen occidental muestra estructuras queresultaron de un fuerte acortamiento durante el Eoceno y el Mioceno medio. Lamayoría de las fallas en el salar son fallas normales invertidas. Imagen tomada deReutter et al., 2006.

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Diapositiva 10

Mapa esquemático estructuralentre los 21°-26°, muestra la zonade falla de atacama y susdiferentes segmentos, y la zona defalla de Domeyko. Imagentomada de Charrier et al., 2007.

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Diapositiva 1

HIDROLOGIA E HIDROGEOLOGIAARICA‐ANTOFAGASTA

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Diapositiva 2

Modelo deelevación de laCordillera de losAndes entre los12°S Y 32°Sconstruido porGTOP30topografíadigital

(Hoke et al.,2004).

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Diapositiva 3

La relaciones transversales entre las mayores redesparalelas desarrolladas en El Diablo y las superficie deOxaya. (Hoke et al., 2004).

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Diapositiva 4

Mapa de ubicación de la hiper-aridez de América del Sur

(Houston & Hartley 2003)

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Diapositiva 5

Clima y los controles en la Precipitación(Houston & Hartley 2003)

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Diapositiva 6

Precipitación-Elevación en la región del Desierto de Atacama(Houston & Hartley 2003)

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Material de Estudio

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