B Movimiento Del Agua en El Subsuelo

7/17/2019 B Movimiento Del Agua en El Subsuelo

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1HIDROGEOLOGÍA

Licenciatura en Ciencias Ambientales

Luis F. RebolloDepartamento de Geología -UAH

Tema 4Tema 4

MOVIMIENTO DEL AGUA ENMOVIMIENTO DEL AGUA EN

EL SUBSUELOEL SUBSUELO

Luis F. RebolloLuis F. Rebollo

HidrogeologHidrogeologííaa

2HIDROGEOLOGÍA



T4. MOVIMIENTO DEL AGUAT4. MOVIMIENTO DEL AGUAEN EL SUBSUELOEN EL SUBSUELO

1.1. Concepto de potencial hidrConcepto de potencial hidrááulico.ulico.

2.2. Concepto de gradiente hidrConcepto de gradiente hidrááulico.ulico.

3.3. Flujo del agua en medio saturado.Flujo del agua en medio saturado.Ley deLey de DarcyDarcy..

4.4. Velocidad del agua subterrVelocidad del agua subterráánea.nea.

5.5. Redes de flujo.Redes de flujo.



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Si se construye un pozo hasta una profundidad dadadentro de la zona saturada del sustrato y se instala larejilla o tubería filtrante exclusivamente en ese punto,el agua ascenderá por el interior de la tubería del pozohasta una altura determinada, en que se encuentre enequilibrio con la presión atmosférica. Dicha altitud ocota absoluta corresponde al potencial hidrpotencial hidrááulicoulico deese punto, y físicamente representa, en altura, laenergía de que dispone el agua en el punto

considerado del subsuelo.

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El potencial hidrpotencial hidrááulicoulico o potencial totalpotencial total (ht), viene dadopor tres componentes:

el potencial de elevación o potencial gravitacional

(z), que representa la energía necesaria para situar launidad de masa de agua en ese estado de elevación sobreel nivel del mar;

el potencial de presión (hp/γ), que corresponde a laenergía necesaria para someter al agua (de pesoespecífico γ) en ese punto a la presión p desde la presiónatmosférica;

y el potencial de velocidad (hv), que representa laenergía requerida para comunicar a la unidad de masa deagua su velocidad, partiendo de una posición estática.



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Dado que el agua subterránea se mueve de formarelativamente lenta, habitualmente se desprecia el potencialde velocidad, por lo que el potencial hidráulico total sepuede expresar:

)cmg/ 1( h+ zh + z=h

3 p

p

t

Conocido el valor que alcanza el potencial hidráulico encualquier punto de un acuífero, se pueden definirsuperficies equipotenciales, que representan el lugargeométrico de los puntos en que el potencial hidráulico totaltiene el mismo valor.

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Tomado de Custodio y Llamas, 1983



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Modelo de Hubbert (1940)

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En las áreas de recarga el potencial hidráulico decreceprogresivamente a medida que aumenta la profundidad.

En las áreas de descarga, por el contrario, el potencialcrece paulatinamente con la profundidad.

Consecuentemente, cuanto más profundos sean los

pozos construidos en áreas de recarga, a mayorprofundidad se encontrará el nivel del agua en losmismos; al contrario sucederá en las áreas de descarga.

En las áreas de descarga ocurre normalmente que, silos pozos son suficientemente profundos (si tieneninstalada la tubería filtrante a gran profundidad), elagua puede ascender espontáneamente por encima dela superficie del terreno (pozos surgentes).




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El agua subterránea se mueve en la dirección en quedecrece el potencial hidráulico total, de manera que si semantienen constantes todos los demás factores, la cuantíadel movimiento de aquélla en el seno de la zona saturadadepende del gradiente hidráulico.

El gradiente hidráulico (i) se define como la pérdida deenergía experimentada por unidad de longitud recorrida porel agua; es decir, representa la pérdida o cambio depotencial hidráulico por unidad de longitud, medida en elsentido del flujo de agua.

i = h / l

donde:i : Gradiente hidráulico (adimensional).

h : Diferencia de potencial entre dos puntos del acuífero (ht1-ht2).l : Distancia en la dirección del flujo entre estos dos puntos.

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Referencia de las medidas (borde de la entubación)

Pozo 1 Pozo 2Cota: 100 msnm Cota: 98 msnm

Distancia (l): 1.000 mProf.

alagua

Superficiedel terreno

Superficie freática

Rejilladel pozo

Movimientodel agua

subterránea

ACUÍFERO LIBRE

Base del acuífero

Nivel de referencia (nivel medio del mar)

P o t e n c i a l h i d r á u l i c o

A l t i t u d d e l p u n t o d e m e d i d

a

P o t e n c i a l d e

p r e s i ó n

P o t e n c i a l d e

e l e v a c i ó n

Diferencia de potencial (h)

Tomado de Heath (1987)



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Tomado de Freeze & Cherry (1979)

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Flujo del agua en la zona saturadaFlujo del agua en la zona saturada.

En la zona saturada del subsuelo el flujo deagua subterránea -que, como siempre, sedirige desde los niveles energéticos más altosa los más bajos, es decir, desde las zonas conmayor potencial hidráulico total hacia las demenor potencial- suele ser preferentementehorizontal, excepto en las áreas de recarga yde descarga, donde el flujo tiene unacomponente vertical importante.


El movimiento del agua en el mediosaturado está regulado, siempre queel régimen de flujo sea laminar (noturbulento), por la ley de Darcy.



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Ley deLey de DarcyDarcy..

Experimentada en 1856 por el ingeniero francés HenryDarcy, esta ley expresa que el caudal de agua (Q) queatraviesa un medio poroso saturado es directamenteproporcional a la sección transversal a dicho flujo ( A) y ala variación del potencial ( Δhl ) existente entre dos puntosconsiderados de una misma línea de flujo, e inversamenteproporcional a la longitud (l ) del camino recorrido:

En esta expresión, la constante de proporcionalidad (K ) esla denominada conductividad hidráulica o permeabilidad .

3.3. Flujo del agua en medio saturado.Flujo del agua en medio saturado.


i. A.K =)lh_(. A.K =Q l

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i. A.K =)l

h(. A.K =Q l

Ley de Darcy (1856)



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La ley de Darcy esválida para casitodos los fluidos quecirculan lentamentea través depequeños poros enel subsuelo; esdecir, su validez selimita al régimenlaminar.

3.3. Flujo del agua en medio saturado.Flujo del agua en medio saturado.


El flujo del agua en régimen turbulento o a través de grandescavidades (como son las cavernas y algunos conductos kársticos)no sigue la ley de Darcy, sino las ecuaciones hidrodinámicasusuales para los conductos y corrientes superficiales.

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Tomado de Davis & De Wiest (1971)



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La expresión de la velocidad del agua subterránea deriva de lacombinación de la ley de Darcy (1) y de la ecuación de lavelocidad ordinaria en hidráulica (2):

[1] [2]v A=Q

Combinando estas ecuaciones se obtiene la denominadavelocidad de Darcy:

iK =v i AK =v A

La expresión de Darcy considera la totalidad del área de lasección que atraviesa el flujo subterráneo, pero el agua sólocircula por los huecos que dejan entre sí los granos o cristales

del medio poroso o fisurado. Por tanto, la velocidad con querealmente circula el agua subterránea (v

r ) debe expresarse:

i AK =Q

im

K =v

er

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Ejemplo

Un acuífero libre, cuya porosidad eficaz es del 20% y supermeabilidad media de 60 m/día, tiene un potencial hidráulicoque decrece 1 m cada kilómetro del mismo. Calcular el tiempomínimo que tardará en llegar un vertido tóxico inyectado en lazona saturada hasta un pozo de abastecimiento situado en latrayectoria del flujo subterráneo a 600 m de distancia.

En consecuencia, para recorrer los 600 m tardará al menos2.000 días, es decir, aproximadamente cinco años y medio.

10=m1000

m1 =lh =i 3-l

m/día0,3=102

10m/d 60 =

m

iK =v 1-

-3

e

r

días0002=m/d 0,3

m600 =

v

e =t

t

e =v

r

r .



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Las redes de flujo son mallas que resultan de la intersecciónde dos familias de curvas:

las líneas equipotenciales, curvas que unen puntos conigual potencial hidráulico (en la sección vertical o en lahorizontal) y, por tanto, representan la altitud o cotaabsoluta de la superficie freática (o de la superficiepiezométrica en general).

las líneas de flujo, que representan, de forma idealizada,el itinerario seguido por las partículas de agua en su

movimiento a través del medio saturado.Dado que el agua subterránea se desplaza en la dirección enque el gradiente hidráulico es máximo, las líneas de flujo sonperpendiculares a las líneas equipotenciales en los mediosisótropos.

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5.5. RedesRedesde flujo.de flujo.

Tomado de Heath (1987)



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5.5. RedesRedes

de flujo.de flujo.

Tomado de Yélamos y Villarroya (2008)

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Tomado de Yélamos y Villarroya (2008)



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Tomado de Llamas et al. (1980)

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