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HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA
I – Teoría del flujo del agua subterránea Introducción Definiciones Parámetros Ley de Darcy Ecuación del flujo Superficies freáticas
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Introducción El Ciclo del Agua
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Introducción recarga manantiales Zona oxidante Aportes Posible alta
temperatura Larga permanencia Zona reductora
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Introducción Cuenca hidrográfica
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Cuenca hidrográfica Balance hidrológico
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HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA
ÍNDICE Introducción Definiciones Parámetros Ley de Darcy Ecuación del flujo Superficies freáticas
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Manantiales Aguas superficiales
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Materiales acuíferos Acuífero
Formación porosa que deja pasar el agua y la almacena Acuitardo Formación porosa que deja pasar lentamente el agua y la almacena Acuicludo Formación porosa que no deja pasar el agua pero la almacena Acuifugo Formación porosa que no deja pasar el agua ni la almacena
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Tipos de acuíferos Confinado Libre
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Tipos de acuíferos Semiconfinado Libre-aguas superficiales
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Tipos de acuíferos
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Los acuíferos y la contaminación
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Suelo edáfico
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El medio subterráneo medio poroso
Ciclo hidrológico
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Suelo edáfico Zona no saturada Zona saturada
Precipitación Evapotranspiración Escorrentía superficial Infiltración Suelo edáfico Percolación Escorrentía hipodérmica Zona no saturada Recarga Zona saturada Escorrentía subterránea
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Escorrentía hipodérmica Escorrentía subterránea
Precipitación Evapotranspiración Infiltración Suelo edáfico Zona oxidante Percolación Escorrentía hipodérmica Zona no saturada Recarga Posible alta temperatura Larga permanencia Zona reductora Zona saturada Escorrentía subterránea
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HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA
ÍNDICE Introducción Definiciones Parámetros Ley de Darcy Ecuación del flujo Superficies freáticas
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El medio subterráneo medio poroso
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Distribución de tamaño tamices
% que pasa Arena Coeficiente de uniformidad de Hazen f = d60 / d10 Log (tamaño de partículas en mm) Tamaño efectivo Curva granulométrica
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Porosidad efectiva
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Porosidad Textura y Porosidad
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Parámetros Porosidad Gravas: 0,22 – 0,25 Arenas: 0,25 – 0,27
Limos: ,21 Arcillas: 0,07 – 0,3 V Relación con la granulometría, compactación, hidratación y presencia de arcilla Concepto de porosidad (m): no tiene en cuenta los huecos no conectados
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Clasificación de materiales por tamaño (mm) Origen de la porosidad
Relación entre porosidad y granulometria Clasificación de materiales por tamaño (mm) ARCILLA LIMO FINO LIMO GRUESO ARENA GRAVA PIEDRAS 10-4 – – – 10-1 10-1 – 2 2 – 30 > 30 Origen de la porosidad Fracturación Grietas en rocas Disolución Karst Deposición de material Medios porosos homogeneos
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Porosidad eficaz y Retención específica
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Determinación de la porosidad
Porosidad total Métodos gravimétricos Métodos volumétricos Material coherente Porosidad eficaz Método de saturación y drenado Método de correlación volumétrica Curva granulométrica Método de drenado por centrifugación Método de inyección de mercurio Método de bombeo Determinación en campo
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Aparato Porosímetro
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Porosidad y profundidad
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HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA
ÍNDICE Introducción Definiciones Parámetros Ley de Darcy Ecuación del flujo Superficies freáticas
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Ley de Darcy Potencial del agua y1 y2 Carga hidráulica
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A: sección transversal
Ley de Darcy h1 A: sección transversal q: velocidad de Darcy Q h2 K: Permeabilidad L Ley experimental
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Parámetros Porosidad cinemática
Porción de huecos por los que circula el agua Ah A Flujo Distribución de la velocidad Flujo en un tubo Sección
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Permeabilidad intrínseca
Ley de Darcy Permeabilidad Permeabilidad intrínseca Valores de K 104 m/d 0.1 m/d 10-3 m/d 10-6 m/d Medio Gravas Arenas Limos arcilla
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diámetro equivalente, d10
Determinación de la permeabilidad Velocidad real Método de trazadores Gradiente hidráulico Porosidad eficaz Fórmulas Hazen k = c d2 diámetro equivalente, d10 constante Kozeny Terzaghi
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Determinación de la permeabilidad Permeámetro
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Gradiente hidráulico
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Anisotropía
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HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA
ÍNDICE Introducción Definiciones Parámetros Ley de Darcy Ecuación del flujo Superficies freáticas
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Límite superior: Re < 5
Ley de Darcy Validez Límite superior: Re < 5 Φ 1 Ah VER A Flujo 10-6 10-3 Tamaño (m) contínuo Sección
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Ley de Darcy Generalización (anisotropía) q
Medio isótropo: K se reduce a un escalar Medio anisótropo: q y el gradiente no son paralelos Medio homogéneo: K es constante en todo punto Medio heterogéneo: K no es constante en todo punto
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Permeabilidad equivalente
Ley de Darcy Medio heterogéneo Qz e1 Permeabilidad equivalente B e2 Horizontal B K1 ei K2 K3 B Ki Vertical Qy
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Ecuaciones básicas (medios porosos)
Porosidad cinemática (Ley de Darcy) nc = f = Ah / A Porción de huecos por los que circula el agua Ah A Flujo Distribución de la velocidad Flujo en un tubo Sección Caudal = q * A = vr * Ah q = vr * Ah / A = vr * f
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Flujo laminar entre dos placas
Ley de Darcy (medios fracturados) Ley experimental Flujo laminar entre dos placas 1 B A 2b A B
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Ley de Darcy Bernouilli Placa horizontal y Fluido newtoniano v
Velocidad media
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Ley de Darcy Roca fracturada fractura B L B Ley cúbica
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Anisotropía en medios fracturados
Ley de Darcy Anisotropía en medios fracturados q h1 h2 < h1 h1 h2 < h1 q K : escalar K : tensor
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Anisotropía en medios fracturados
Ley de Darcy Anisotropía en medios fracturados z x Fracturas no planas Rugosidad Apertura variable Apertura depende de σ y y 1 σ 2
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Principio de continuidad
Ecuación de continuidad: Ent – Sal +/- w = Var. Alm. Sumidero w b = 1 y x
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Ecuación del flujo Ecuación de continuidad: Ent – Sal +/- w = Var. Alm. con compresibilidad
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Ecuación del flujo Ecuación de continuidad: Ent – Sal +/- w = Var. Alm. Compresibilidad del agua β ( m2/N): Compresibilidad del esqueleto ( m2/N): Terzaghi
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Ecuación del flujo Coeficiente de almacenamiento específico: Ss
Coeficiente de almacenamiento específico: El volumen liberado por unidad de volumen de medio poroso cuando la carga varía una unidad (Δh = 1), valores típicos: 10-6 m-1 sustituyendo incompresible
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Ecuación del flujo 1) Régimen estacionario (Ec. de Poisson)
2) Régimen estacionario y medio homogéneo e isótropo Ec. de Laplace 1-D
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Superficies piezométricas
h = H0 h = z z Superficie de rezume x impermeable
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Superficies piezométricas
Ecuación de flujo en acuíferos Los acuíferos tiene una extensión superficial mucho mayor que su componentes vertical. Flujo horizontal b L b ~ 10 – 200 m, L ~ 5 – 200 km
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Balance de masa Integrar a lo largo de la vertical A b · · · · · · · ·
z x y T = transmisividad = K b
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Balance de masa Acuífero cautivo Superficie piezométrica t + dt
1 1 b x y
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Balance de masa Acuífero cautivo Entrada – salida = variación de masa
S: Coeficiente de almacenamiento : Variación del volumen de agua por unidad de área de acuífero producida por un cambio unitario de nivel.
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Balance de masa Acuífero libre Superficie piezométrica t + dt
1 1 b x y
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Balance de masa Acuífero libre Entrada – salida = variación de masa
con Término elástico Porosidad drenable
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Balance de masa Métodos de solución de la ecuación de flujo
M. Analógicos: Modelo a escala reducida Modelos con analogía eléctrica M. Analíticos: Exactos Simplificaciones fuertes Transformadas de Laplace, Fourier Separación de variables Indirectos: Superposición, Teoría de las imágenes Funciones de Green Métodos de solución de la ecuación de flujo q n h1 h2 hi ΔS M. Gráficos: Redes de flujo M. Numéricos: Diferencias finitas Elementos finitos
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HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA
ÍNDICE Introducción Definiciones Parámetros Ley de Darcy Ecuación del flujo Superficies freáticas
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Aplicaciones Acuífero libre Acuífero cautivo Superficie freática
piezométrica h h p/ p/ v v z z
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Ejemplos Manantiales Puntos de salida natural del agua de un acuífero
Superficie freática río río
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Ejemplos Superficie piezométrica · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
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Ejemplos río V V V0 V0
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Condiciones de contorno
H0 h río qo 1o Nivel impuesto 2o Flujo impuesto
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Aplicaciones Condiciones de contorno: 1) condición fija (Dirichlet)
h = H0 2) Caudal fijo (Neuman) H0 H0 3) Condición mixta (Cauchy) h limos
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Ejemplos · h H0 · · · · · río · · · · · · · · · L · · · · · · · b
limos B b A : Coeficiente de goteo
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Ejemplos · h H0 · · · · · río · · · · · · · · · L · · · · · · · b
limos b A B
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Ecuación general del flujo de agua subterránea
Soluciones numéricas Ecuación general del flujo de agua subterránea Condiciones de contorno para las interacciones río-acuífero 1o Dirichlet Nivel impuesto 2o Newman Flujo impuesto 3o Cauchy Mixto (goteo) 4º Cauchy Mixto (descarga)
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Interacciones río-acuífero
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Ejemplos: Superficies piezométricas
río 100 90 80 Río perdedor Río
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Ejemplos: Superficies piezométricas
río 100 90 Río ganador 80 Río
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Ejemplos Interacciones río - acuífero libre
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Ejemplos: Oscilaciones piezométricas
Causas: Cambios en la Presión atmosférica Mareas Evapotranspiración Cargas externas Bombeos variación Max Min Acuífero
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Ejemplos: Oscilaciones piezométricas
Recarga artificial Recarga de ríos Riegos Inundaciones Fluctuaciones climáticas Inyecciones profundas Obras de drenaje
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Ejemplos: Oscilaciones piezométricas
Oscilaciones: Directas (Cambio de S, bombeos,..) Indirectas (Cambios de presión) Oscilaciones: Periódicas No periódicas Oscilaciones: Rápidas < día Medias Lentas > 0.5 años
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Ejemplos H0 río 1 · · · · 2 · 3 · · · · · · · · · · 4 5 Q 6 5 4
recarga 3 6 2 1 descarga
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