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“Año de la consolidación del Mar de Grau” Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión FACULTAD INGENIERIA CIVIL HIDROLOGIA Agua Subterránea

Alumnos: Miranda Morales Angel Pinto Cruz Mao Toledo Zapana Jonathan

Docente: Ing. Zumaran Irribarren Jose Luis

HUACHO - PERÚ 2016

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Contenido Introducción................................................................................................. 3 Descripción.................................................................................................. 4 Tipos de Acuíferos...................................................................................... 4 Acuíferos no confinados.............................................................................. 4 Acuíferos confinados................................................................................... 5 Alimentación y Descarga...........................................................................6 Alimentación............................................................................................... 6 Descarga..................................................................................................... 7 FLUJO DE AGUA SUBTERRÁNEA................................................................7 COCEPTOS BÁSICOS.................................................................................... 7 LEY DE DARCY............................................................................................. 9 APLICACIÓN DE LA LEY DE DARCY.............................................................13 FLUJO EN POZOS DE BOMBEO.................................................................17 Generalidades........................................................................................... 17 Tipos de acuíferos.................................................................................. 17 Napa libre.............................................................................................. 18 Napa confinada o cautiva......................................................................18 FLUJO PERMANENTE.................................................................................. 19 Acuíferos confinados.............................................................................. 20 Acuífero libre.......................................................................................... 20 FLUJO NO PERMANENTE............................................................................ 22 Acuíferos confinados.............................................................................. 24 Acuíferos no confinados o libres.............................................................26 ASUNTOS CONEXOS.................................................................................. 26

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Introducción Se consideran aguas subterráneas aquellas que se encuentren bajo la superficie del suelo en la zona de saturación y en contacto directo con ésta o con el subsuelo (parte profunda del terreno por debajo de la capa laborable). Se trata de un recurso de elevada cuantía con respecto a las aguas superficiales, que está sufriendo procesos acusados de contaminación procedente de distintos orígenes. Las aguas subterráneas constituyen un recurso dotado de valor estratégico y son ampliamente utilizadas, tanto para riego como para abastecimiento urbano e industrial, así como para fines medioambientales (al estar relacionadas con numerosos humedales y ecosistemas hidrodependientes) por lo que deben mantener una calidad apropiada en función del uso al que se destinen. El agua subterránea es un recurso importante, pero de difícil gestión, por su sensibilidad a la contaminación y a la sobreexplotación.

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AGUA SUBTERRANEA Descripción El agua subterránea es de gran importancia, especialmente en aquellos lugares secos donde el escurrimiento fluvial se reduce mucho en algunas épocas del año. Se estima que en Estados Unidos, de toda el agua que se usa al año, una sexta parte es agua subterránea, En Lima, por otro lado, del total de agua que seconsume un 40% proviene_del_subsuelo, como las aguas superficiales, provienen de las lluvias. No son independientes unas de otras, sino que, por el contrario, están muy ligadas entre sí. Muchas corrientes superficiales reciben agua del subsuelo y, a su vez, el agua del subsuelo se realimenta de las aguas superficiales. Veamos un esquema de las condiciones del agua subterránea.

Tipos de Acuíferos Las formaciones que contienen y transmiten agua del subsuelo reciben el nombre de acuíferos. Los tipos principales son 2: no confinados y con fi nadas.

Acuíferos no confinados Una formación como la representada en la figura constituye un acuífero no confinado. Si se perforan pozos de observación hasta el estrato impermeable, el lugar geométrico de los niveles alcanzados es el nivel freático.

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El flujo es libre como en los canales; la línea de energía es siempre descendente en el sentido del flujo; el nivel freático sigue más o menos las mismas variaciones de la superficie. El espesor e alcanza valores que varían desde unos cuantos metros hasta cientos de metros. Los acuíferos no confinados son como verdaderos lagos subterráneos en material poroso; como no hay restricción en la parte superior el nivel freático es libre de subir y bajar. Muchas veces estos acuíferos alimentan corrientes superficiales y lagos.

Acuíferos confinados Son acuíferos comprendidos entre dos estratos impermeables. El flujo es a presión, como en las tuberías.

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En vez de un nivel freático se tiene ahora un nivel piezométrico. La línea de energía, como en el caso de los acuíferos no confinados, se confunde prácticamente con el nivel piezométrico debido a que la altura de velocidad del agua es muy pequeña. Los acuíferos confinados presentan las ventajas de conducir el agua a grandes distancias y entregar el agua por encima del nivel del acuífero, y las desventajas de tener áreas de recarga relativamente pequeñas, rendir menos agua y provocar asentamientos del terreno en los lugares de extracción (pozos de bombeo).

Alimentación y Descarga

Alimentación Se describirá en un acuífero no confinado. El agua del subsuelo se alimenta de las lluvias, ya sea directamente o indirectamente a través de las corrientes superficiales y lagos. El agua de lluvia sufre primero intercepción debido a la vegetación, y almacenamiento en las depresiones del terreno y en la zona vadosa. Del resto, una parte sufre escorrentía y otra llega eventualmente a la zona de agua subterránea. Quiere decir que sólo las lluvias prolongadas de fuerte magnitud alimentan el agua del subsuelo. La alimentación o recarga natural del agua del subsuelo es un irregular e intermitente, en que intervienen la geología y el del terreno.

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Descarga El agua del subsuelo en exceso de la capacidad del acuífero se descarga de dos maneras: por evapotranspiración, cuando el cordón ca pilar llega a los sistemas radiculares de la vegetación y por salida su perficial, si el nivel freático intersecta la superficie del terreno. En la práctica se presentan los siguientes casos de salida superficial: Filtración difundida, si el ritmo de descarga es bajo o el escurrimiento se esparce sobre un área grande; el agua humedece la superficie y de allí se evapora. Manantial si la descarga es significativa y se concentra en un área pequeña. Hay vari os ti pos de manantiales.

FLUJO DE AGUA SUBTERRÁNEA

COCEPTOS BÁSICOS 1.1. Porosidad (n). Relación del volumen de vacíos al volumen total expresado en porcentaje(%). Mide la capacidad de una formación para contener agua. Sus valores varían de 45%(arcillas) hasta valores muy bajos en las formaciones con grandes cavidades o cavernas. Una alta porosidad no indica que el acuífero rendirá grandes volúmenes de agua a un pozo. 1.2.

Rendimiento específico o Coeficiente de Almacenamiento

Es el volumen de agua, expresado como un porcentaje del volumen total del acuífero, que drenará libremente o por gravedad del acuífero. Es siempre menor que la porosidad porque una parte del agua es retenida por fuerzas capilares y moleculares. Las arcillas, aunque tienen una alta porosidad, rinden poca agua a los pozos debido a esas fuerzas. Los acuíferos económicamente más importantes son los depósitos de arenas y de gravas. Tabla de Porosidad y Rendimiento Específico

1.3.

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Permeabilidad

Es la capacidad del terreno para dejar pasar el agua, solicitada únicamente por gravedad, a través de sus poros. Es un movimiento vertical, de arriba hacia abajo, libre de presiones, o en todo caso muy pequeñas de la disposición de los poros. Mientras no haya cabios de la naturaleza del material, es un valor constante. 1.3.1. Coeficiente de permeabilidad (Kp). Es la tasa de flujo del agua en unidades de volumen por unidad de tiempo que pasa por una sección transversal unidad debido a la gradiente hidráulica 1 (1 vertical/1horizontal) cuando el agua está a 15.5° C(60° F) de temperatura. Usualmente se expresa en m3/m2/dia, por tratarse de velocidades muy reducidas. Se suele abreviar la unidad anterior en m/dia. Este coeficiente depende de las propiedades del líquido y de medio poroso, y puede expresar como: Kp=K .

γ μ

Donde: γ = peso específico del líquido μ=viscosidad dinámica del líquido K= permeabilidad intrínsecadel medio ;

tiene dimensiones de área y en laingenieríade petróleo se expresa en Darcys 1 Darcy =0.987 x 10−8 cm 2 En Estados Unidos, con propósitos hidrológicos, si Q se mide en gal/día a través de un área de 1 pie2 bajo la acción de un gradiente unitario, a 60° F(15.5°C), Kp resulta en unidades minzer. 1 meinzer=0.0408m/día Para otra temperatura: v 60 Kpt=Kpt . vt Tabla de valores de Kp y K para diversos materiales

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1.4.

Transmisibilidad ( T )

Es la tasa de flujo subterráneo (unidades de volumen por unidad de tiempo) que pasa por una sección vertical del acuífero de ancho unidad en toda la profundidad saturada y por acción de una gradiente 1(100%) estando el agua a 15.5 °C (60°F). Llamando “y” al espesor del acuífero, se puede escribir como: T = y . Kp Donde: Kp=coef . de permeabilidad

LEY DE DARCY En 1856, Henri Phililibert Gaspard Darcy publicó una ecuación empírica para la velocidad de descarga del agua a través de suelos saturados; se basa en las observaciones de Darcy, relativas al flujo de agua a través de arenas limpias y encontró que para velocidades pequeñas, el gasto se expresa por: Q=

dv cm3 =kAi ( ) vt s

Donde: A: área total de sección transversal del filtro i: gradiente hidráulico de flujo pero de la ecuación de continuidad: Q= Av Igualando las dos ecuaciones de gasto de obtiene: 9

v =Kp . S

Donde: V= velocidad de descarga del agua a través de la sección transversal total unitaria de suelo perpendicular a la dirección de flujo. Kp= coeficiente de permeabilidad.

Esquema de dispositivo experimental de Darcy La ley de Darcy es aplicable sólo si el flujo en el suelo es laminar. Por lo tanto, en partículas menores que las arenas se deduce que el flujo es laminar; y quedando excluidas los suelos de granos muy gruesos como gravas limpias, cantos rodados, etc. 1.5. Velocidad aparente y velocidad real. A una sección trasversal le corresponde dos áreas: A= área total A’=área de los espacios vacíos entre los granos

Al área total A le corresponde la velocidad aparente v y al área neta A’ corresponde la velocidad real v’, de tal manera que el flujo Q es uno solo. Entonces: Q= A . v =A ' . v '

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v'=

volumentotal (Vt ) A.v A .L 1 = ' v= ∗v= ∗v ' volumen de vacios(Vv) Vv A A .L Vt

v ' v = ; n= porosidad n 1.6. Métodos para medir el coeficiente de permeabilidad del suelo Existen dos procedimientos:  

Métodos directos Métodos indirectos

a) Métodos directos 1) Permeámetro de carga constante Consiste en someter a una carga hidráulica h a una muestra de suelo de área transversal A y longitud L confinada en un tubo. El agua fluye a través de la muestra, midiéndose la cantidad (en cm3) que pasa en el tiempo t.

Esquema del permeámetro de carga constante Aplicando la ley de darcy: V =Kp . A . i .t ; V :cantidad de agua que pasa en tiempo t El gradiente hidráulico medio vale: i=

h L

Entonces: ¿^ VL Kp= ¿ El inconveniente del permeámetro es que en suelos poco permeables el tiempo de prueba se hace muy extenso que deja de ser práctico, usando gradientes razonables. 11

2) Permeámetros de carga variable Este permeámetro mide la cantidad de agua que atraviesa una muestra de suelo, por diferencia de niveles en un tubo alimentador.

Esquema de permeámetros de carga variable suelos finos(a) y suelos gruesos(b) a= área del tubo vertical de carga A= área de la muestra. L= Longitud de la muestra. h1= carga hidráulica al principio de la prueba. h2= carga hidráulica al fina de la prueba. hc= altura de ascensión capilar, que debe deducirse de la lectura total del tubo de carga. t= Tiempo requerido para que la carga hidráulica pase de h1 a h2. Si en un tiempo dt atraviesa una cantidad de agua(cm3) a la muestra, aplicando Darcy: dV = Kp. A .i . dt=Kp. A .

h . dt L

Al mismo tiempo en el tubo vertical, el agua desciende un dh y el volumen de agua de agua que atravesó será: dV =−adh

Igualando las dos ecuaciones anteriores: h Kp. A . . dt=−adh L

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h2

a∫ h1

t

dh Kp . A = ∫ dt h L 0

Kp=

La h 1 La h1 ln =2.3 log At h 2 At h2

Análogamente para la figura b: L h1 Kp=2.3 log t h2 Cuando la caída de carga hidráulica sea pequeña en comparación con la carga media usada: h=

h 1+h 2 2

3) Prueba directa de los suelos en el lugar En el campo se usa un pozo de ensayo. Este método hace uso de los conceptos inherentes a la hidráulica de pozos y permite obtener la permeabilidad promedio en un área extensa alrededor del pozo de bombeo. b) Métodos indirectos. 1. Cálculo a partir de la curva granulométrica Son fórmulas que establecen una correlación de la permeabilidad con la granulometría del suelo: Fórmula de Hazen: válida para arenas limpias con 0.1< D 10