ASUB-clase 2 B Propiedades Acuiferos 2015 II

ACUIFERO Y SUS

PROPIEDADES

G. Aguilar G..

FLUJO EN MEDIOS POROSOS

G. Aguilar Giraldo 2

ACUIFEROS


TIPOS DE ACUIFEROS


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.


Porosidad varia con

% Compactacion

Tamaño de particulas

Fracturamiento

G. Aguilar Giraldo 6 Arena no cementada

Arena Cementada


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 ()



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:


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)


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)



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:


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.


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 ?


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



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.


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


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


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).


2

22

2

3

1

.

.1L

TL

M

TL

M

L

T

L

LpA

QK o



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

.


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


Tabla Nº1-5. Magnitudes de “K” para diferentes materiales


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).



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)


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


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’):


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


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:


KDc=L

Donde: K = Conductividad hidráulica del acuífero D = Espesor saturado C = Resistencia hidráulica de la capa semipermeable


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.


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


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.


Kx1 = Kx2 = Kx3

Ky1 = Ky2 = Ky3

Kz1 = Kz2 = Kz3


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.


Kx1Kx2Kx3

Ky1Ky2Ky3

Kz1Kz2Kz3

1zK

2zK

3zK

1xK 3xK

2xK

2yK

1yK3yK

3

2

1


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

ASUB-clase 2 B Propiedades Acuiferos 2015 II

Documents

Transcript of ASUB-clase 2 B Propiedades Acuiferos 2015 II