Hidrulica de captaciones de agua subterrnea1. Objetivos2.
Conceptos fundamentales de la captacin de aguas subterrneas3.
Captaciones de aguas subterrneas4. La resolucin de la ecuacin
general de flujo5. Concepto de rgimen permanente6. Concepto de
rgimen no permanente7. Principio de superposicin e interferencia de
pozos8. Caudal especfico y eficiencia9. Preparacin ejecucin ensayos
de bombeo de pozos ensayos de inyeccin y recuperacin mtodos10.
Conclusiones11. BibliografaIntroduccinElaguaes uno de
losrecursosnaturales ms preciados del planeta. Ms de mil millones
de personas no disponen deagua potable, lo que provoca que cada ao
mueran unos tres millones y medio de personas, en su mayor
partenios, a causa deenfermedadesrelacionadas con la falta o el
malestadodel agua. Por ello, ladistribucinequitativa y la
explotacin sostenible de este recurso se presentan como uno de los
principales retos del siglo XXI. En la consecucin de esta meta, los
acuferos pueden jugar un papel de vital relevancia.La explotacin
racional de las aguas subterrneas constituye un elemento clave en
eldesarrolloeconmico de un pas, rea o regin. En las regiones
declimasemirido o ridoel aguasubterrnea tiene unintersestratgico.
La explotacin intensiva o incontrolada de las aguas subterrneas
puede ocasionar, en determinados casos, ciertosproblemasambientales
que favorezcan losprocesosde desertizacin. En terrenos arenosos, el
descenso del nivel fretico puede favorecer laerosinelica, la
formacin y el avance de las dunas. En regiones de gran aridez, el
regado con aguas de elevado contenido salino puede salinizar
lossuelos, obligando al abandono de tierras. Frecuentemente, la
contribucin de la explotacin de las aguas subterrneas en los
procesos de desertizacin queda enmascarada por la intervencin de
muchos otros factores.ObjetivosObjetivos Generales: Proporcionar
lasherramientastericas y prcticas necesarias para comprender el
funcionamiento hidrulico de lossistemasde aguas subterrneas para
eldiseode obras de aprovechamiento y saneamiento.Objetivos
Especficos: Conocer la resolucin de la ecuacin general de flujo.
Plantear y resolver problemas de hidrulica de pozos, en rgimen
permanente y variable. Interferencia entre pozos. Plantear y
resolver problemas de Hidrulica de Captaciones Horinzontales y
Sistemas de Drenaje en rgimen permanente.Conceptos fundamentales de
la captacin de aguas subterrneasRealizaremos unasntesisde los
conceptos bsicos de la hidrulica, as como tambin de sus
aplicaciones; que sern deutilidadprctica.HidrulicaEs una rama de
lafsicay laingenieraque se encarga del estudio de las propiedades
mecnicas de los fluidos, ya sean superficiales osubterrneos. Todo
esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y el
empuje de la mismaLa particularidad de la hidrulica es que
tienecarcterpluridisciplinar ya que engloba varias disciplinas de
la fsica como son, lacinemticalaesttica,, ladinmica, que a su vez
se estudian dentro de lamecnicaconvensional.Aplicaciones de la
HidrulicaActualmente las aplicaciones de la hidrulica son muy
variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseo
y fabricacin de elementos de mayor precisin y conmaterialesde
mejorcalidad, acompaado adems de estudios mas acabados de las
materias yprincipiosque rigen la hidrulica yneumtica. Todo lo
anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos
cada vez con mayor precisin y con mayores niveles de energa, lo que
sin duda ha permitido un creciente desarrollo de laindustriaen
general.Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos: mviles
e industriales. Aplicaciones Mviles:Elempleode la energa
proporcionada por los fluidos apresin, puede aplicarse para
transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales,
controlar e impulsar vehculos mviles tales como:
Leer
ms:http://www.monografias.com/trabajos75/hidraulica-captaciones-agua-subterranea/hidraulica-captaciones-agua-subterranea.shtml#ixzz3bHeDTXUt
Tractores. Gras. Retroexcavadoras. Perforadoras, etc.
Aplicaciones Industriales:En laindustria, es de primera importancia
contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar,
posicionar y mecanizar elementos omaterialespropios de la lnea
deproduccin, para estos efectos se utiliza con regularidad la
energa proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:
Maquinaria para la industria plstica Mquinasherramientas.
Maquinaria para la elaboracin dealimentos. Equipamiento
pararobticay manipulacin automatizada. Equipo para montaje
industrial. Maquinaria para laminera. Maquinaria para la industria
siderrgica. La Hidrulica tambin nos ayuda a
resolverproblemastcnicos de cada una de las siguientes
especialidades: Aprovechamiento de captaciones de aguas
subterrneas.-aplicados a la minera, la industria, laagriculturay
usos de abastecimiento deaguapotable. Aprovechamientos
hidroelctricos:Saltos o centrales hidroelctricas, para
cuyaconstruccinson necesarias muchas y variadas obras hidrulicas.
Aprovechamientos industriales:Circuitoshidrulicos existentes en
diversasindustrias, en otro tipo de centrales (trmicas
convencionales, nucleares), e incluso en el interior de maquinaria
no fundamentalmente hidrulica (motores, circuitos derefrigeracin,
etc.) Aprovechamientos sanitarios:Abastecimientos deagua potabley
alcantarillado, tanto pblicos como domiciliarios. Aprovechamientos
agrcolas:Obras destinadas a proporcionar riego a extensiones de
riego cultivable.Flujo HidrulicoElestadoocomportamientodel flujo en
un canal abierto es gobernado bsicamente por los efectos
deviscosidady gravedad relativa a las fuerzas de inercia del
flujo.El flujo de un lquido en canales en general es con superficie
libre, a diferencia del flujo en tuberas, que puede ser con
superficie libre o bajo carga, lo que depende de si la conduccin
fluye llena o no. Para un flujo con superficie libre en tubera debe
existir una superficie de lquido sometida apresinatmosfrica.Algunos
factores que afectan el flujo de aguas en canales y conductos son:
Caudal. Pendiente. rea de la seccin transversal. Rugosidad de la
superficie interior de la conduccin. Condiciones de flujo (ej. en
caeras: lleno, parcialmente lleno, permanente, variado). Presencia
o ausencia de obstrucciones, curvas, etc. Naturaleza del lquido,
peso especfico, viscosidad, etc.CaudalEl caudal o gasto volumtrico
es la cantidad de un lquido que pasa por unidad detiempoa travs de
una seccin decontrol. Es un parmetro que se encuentra presente en
cualquier problema asociado con el intercambio de lquidos entre dos
o ms recipientes.Su unidad de medida viene expresada por la relacin
devolumenpor unidad de tiempo existiendo las siguientes
equivalencias:Q =Velocidadx Area = Volumen / tiempoEs decir:1
m3/hora = 1000 litros/hora = 0,277 litros/seg = 4,4 galones/minuto
1m3/seg = 3600 m3/h = 1000 litros/segPresinEs el parmetro que
relaciona a unafuerzapor unidad de rea sobre la cual acta.
Generalmente, para el tipo de problemas asociados a saneamiento, la
presin que se utiliza esta medida respecto de la presin atmosfrica,
por lo que es la llamada presin relativa. A diferencia de la presin
absoluta que tiene su punto de referencia en el vaco absoluto.
Sabemos que un lquido en reposo o circulando a cielo abierto
sometido a la presin atmosfrica tiene una presin relativa igual a
cero. Pero si medimos la presin absoluta esta sera de 1,02 bar bien
1,033 kg/cm2 (absolutos).Altura Manomtrica de una bombaRelacionada
con elconceptode altura de columna de lquido, expresa la energa de
presin que una bomba debe aportar para elevar un lquido hasta
alcanzar el nivel deseado. Su origen esta relacionado con la
ecuacin deBernoullique expresa el principio de conservacin de la
energa para todo fluido que circula en un conducto cerrado.El
trmino altura manomtrica representa en esa ecuacin la cantidad de
energa que es necesario aportar a un kilogramo de lquido para que
se cumpla el principio deigualdadenergtica cuando la energa entre
dos puntos de control tomados arbitrariamente (a un lado y a otro
de la bomba) no es la misma.La unidad de medida es el metro, pero
surge como derivacin o simplificacin deltrabajorealizado por el
lquido por unidad de peso de ese mismo lquido que escurre:H bomba =
kgm / kg = mAltura de columna de lquidoEste parmetro que se
encuentra directamente relacionado a la presin, nos dice cual sera
la altura que alcanzara una columna de lquido alojada dentro de un
tubo vertical conectado a un conducto o recipiente presurizado. Al
estar bajo presin, parte del lquido contenido en l sube por el tubo
hasta ocupar una posicin fija, en tanto no vara la presin. La
altura de la columna de lquido es directamente proporcional a la
presin dentro del recipiente e inversamente proporcional al peso
especfico.Lnea piezomtricaEs la lnea que conecta los puntos a los
que el lquido puede subir en distintos lugares a lo largo de la
tubera o conduccin, si se insertasen tubos piezomtricos.Es una
medida de la altura de cargahidrostticadisponible en distintos
puntos; en el caso de agua que fluye por un canal, contrariamente a
lo que ocurre con el flujo en una conduccin bajo carga, la lnea
piezomtrica se corresponde con el perfil de la superficie del
agua.Lnea de energaLa energa total del flujo en cualquier seccin
respecto a una de referencia dada es la suma de la altura de
elevacin "z", la altura de carga correspondiente a la altura de
presindinmica"V2/2g". Generalmente a la prdida de carga entre dos
secciones se denomina hL.Energa especficaLa energa especifica o
altura de carga es la suma de la altura piezomtrica y la altura de
presin dinmica "V2/2g", medida respecto del fondo del canal. Este
concepto de energa especfica se usa enanlisisde flujos en
canales.Flujo permanenteUnmovimientoes permanente, cuando las
partculas que se suceden en un mismo punto presentan, en este
punto, la misma velocidad, poseen la mismadensidady estn sujetas a
la misma presin. sea, el flujo permanente tiene lugar cuando el
caudal en cualquier seccin transversal es constante.Flujo uniforme
y no uniformeExiste flujo uniforme cuando el calado, rea de seccin
transversal y otros elementos del flujo son constantes de seccin a
seccin.El flujo es no uniforme cuando la pendiente, el rea de
seccin transversal y la velocidad, cambian de una seccin a
otra.Ejemplo de flujo no uniforme permanente es el que atraviesa un
tubo venturi para medidas de caudal.Flujo variadoEl flujo de un
canal se considera variado si el calado cambia a lo largo del
canal.Nivel EstticoEs el nivel de agua presente en la formacin
acufera antes de comenzar el bombeo. Este nivel se ve afectado por
efectos meteorolgicos (precipitacin, infiltracin) estacionales o
por cargas adicionales (edificaciones), o por la descarga producida
por pozos cercanos.Nivel DinmicoTambin llamada nivel de bombeo, por
que es producido cuando comienza la descarga del acufero por el
pozo.Este nivel depende del caudal de bombeo, del tiempo de bombeo
y de las caractersticas hidrogeolgicas del acufero. Tambin se debe
tener en cuenta la tcnica desarrollada en eldiseode
pozo.AbatimientoBajo condiciones de extraccin o inyeccin de un
pozo, la carga hidrulica inicial en cualquier punto del acufero
cambia. En condiciones de extraccin de un pozo, la distancia
vertical entre la carga hidrulica inicial en un punto en el acufero
y la posicin baja de la carga hidrulica para el mismo punto es
llamado abatimiento.Para un acufero libre el nivel del agua en el
nivel fretico est determinado por la distancia s(x,y,z,t), la cual
es el abatimiento.Para el caso del acufero confinado, el
abatimiento es definido con respectoa la superficie piezomtrica.
Este descenso de niveles, define la curva de abatimiento, por lo
tanto es claro que el abatimiento presente su menorvaloren lejanas
del pozo y el mayor valor en el pozo. La dimensin del abatimiento
es la longitud [L]. El abatimiento es generalmente expresado en
metros de agua.
Esquema representativo del bombeo de un pozo.
Conos deDepresin(Conos de Descenso)Forma tomada porel
aguasubterrnea por su comportamiento cuando se bombea en un sondeo
vertical. Al momento que empezamos a bombear en un acufero libre
cuya superficie fretica inicial si fuse horizontal. El agua
comienza a fluir radialmente hacia el sondeo, y, transcurrido un
tiempo, la superficie fretica habra adquirido la forma de un cono
(figura siguiente), denominada cono de descensos. Esto puede
apreciarse realmente si en los alrededores del sondeo que bombea
existen otros sondeos paraobservacinde los niveles.
Cono de descenso alrededor de un sondeo bombeando.
Corte transversal del cono de depresin; la generatriz del cono
corresponde a la ecuacin S=f(r)Al producirse el descenso del nivel
esttico del pozo, se establece un gradiente hidrulico entre
cualquier punto de la formacin y el pozo, originndose un movimiento
radial desde todas las direcciones hacia el pozo en una forma
simtrica y de tal manera que el caudal Q que se extrae del pozo es
igual al caudal que pasa por cualquier seccin del acufero.A medida
que la velocidad aumenta mayor ser el gradiente hidrulico ya que
aumenta la friccin existente entre el fluido y las partculas slidas
en contacto; es por eso que lo que se forma alrededor del pozo se
le conoce como cono de depresin que sobre un plano vertical
presenta una curva conocida con el nombre de curva de
abatimiento.
La forma convexa del cono se debe a que el agua que fluye
radialmente hacia el sondeo tiene que atravesar cada vez secciones
menores (las paredes de imaginarios cilindros concntricos con el
sondeo), de modo que, segn Darcy, si disminuye la seccin, tendr que
aumentar el gradiente para que elproductopermanezca constante. Se
denomina "desarrollo" a los trabajos posteriores a la perforacin
para aumentar el rendimiento de la captacin, extrayendo la fraccin
ms fina en materiales detrticos o disolviendo con cido en
calizas.La forma, alcance y profundidad de este cono de depresin
depender de las condiciones hidrogeolgicas (coeficiente
dealmacenamientoy transmisividad del acufero), del caudal y el
tiempo de bombeo o inyeccin.En el acufero confinado el cono de
depresin es la representacin de la variacin de los niveles
piezomtricos, en tanto que en el acufero libre es adems la forma
real de la superficie piezomtrica del nivel fretico.
Captaciones de aguas subterrneasPara extraer agua del terreno se
utilizan diversos tipos de captaciones: Pozos ExcavadosEs
probablemente el tipo de captacin ms antiguo. En la actualidad se
excava conmquinasy enrocasduras con explosivos. Sigue siendo la
eleccin ms adecuada para explotar acuferos superficiales, pues su
rendimiento es superior al de un sondeo de la misma profundidad.
Otra ventaja en los acuferos pobres es el volumen de agua
almacenado en el propio pozo Dimetro= 1 a 6 metros o ms Profundidad
= generalmente 5 a 20 metros.
SondeosSon las captaciones ms utilizadas en la actualidad. Los
dimetros oscilan entre 20 y 60 cm. y la profundidad en la mayora de
los casos entre 30-40 m. y 300 o ms. Si la construccin es correcta,
se instala tubera ranurada slo frente a los niveles acuferos, el
resto, tubera ciega.En acuferos de muy poco espesor .Profundidad de
2 a 4 metros y longitudes de unas decenas a varios centenares de
metros. Se excavan una o varias zanjas, que, siguiendo la pendiente
topogrfica, vierten a un pozo colector desde el que se bombea. Se
utilizan tanto para explotacin del agua subterrnea poco profundas
como para el drenaje necesario para la estabilidad de obras.
Cono de descensosEl agua comienza a fluir radialmente hacia el
sondeo, y, transcurrido un tiempo, por ejemplo unas horas, la
superficie fretica habra adquirido la forma que se presenta en la
siguiente figura, denominada cono de descensos. Esto puede
apreciarse realmente si en los alrededores del sondeo que bombea
existen otros sondeos para observacin de los niveles.
La forma convexa del cono se explica as: El agua que fluye
radialmente hacia el sondeo tiene que atravesar cada vez secciones
menores (las paredes de imaginarios cilindros concntricos con el
sondeo), de modo que, segn Darcy, si disminuye la seccin, tendr que
aumentar el gradiente para que el producto permanezca constante. Se
denomina "desarrollo" a los trabajos posteriores a la perforacin
para aumentar el rendimiento de la captacin, extrayendo la fraccin
ms fina en materiales detrticos o disolviendo con cido en
calizas.Cono de descensos en acuferos confinadosEn un acufero
libre, es la superficie fretica la que toma la forma del cono de
descensos. Encambio, si lo que se bombea es un acufero confinado o
semiconfinado, y suponemos que la superficie piezomtrica inicial es
horizontal, al iniciar el bombeo es dicha superficie la que forma
el cono de descensos, y son igualmente vlidas las consideraciones
anteriores En ambos casos, libre y confinado, el agua circula
radialmente hacia el sondeo, pero la diferencia es que en el
acufero libre el agua circula por toda la seccin transversal, desde
el cono hacia abajo, mientras que en el confinado solamente circula
por el propio acufero.
Cono de descensos en un acufero confinado. Los cilindros
concntricos representan las superficies equipotenciales, cuya
prdida progresiva de energa queda reflejada en el cono formado por
la superficie piezomtrica.Formas del cono segn las caractersticas
del acuferoSi el acufero tiene un mayor coeficiente de
almacenamiento (S) o porosidad eficaz (me), los descensos seran
menores, ya que el acufero proporciona ms agua, y por tanto el
tamao del cono sera menor.Si el acufero tiene una mayor
transmisividad (T), la pendiente necesaria para que el agua circule
ser menor (de nuevo Darcy: q=K.gradiente; recordamos que
T=K.espesor).
(a)A igual Transmisividad, el cono es mayor cuanto ms bajo es el
Coeficiente de Almacenamiento (o me). (b) A igual Coeficiente de
Almacenamiento (o me), la pendiente del cono aumenta cuanto ms baja
es la TransmisividadFrmulas que expresan la forma del cono de
descensosDesde mediados del siglo XIX se intent encontrar
expresionesmatemticasque reflejaran la forma yevolucindel cono de
descensos. Es evidente lautilidadde estas expresiones en la
prctica: podremos evaluar la influencia que tendr un bombeo en
puntos vecinos; si elradiode nuestro bombeo podra llegar a una zona
determinada en la que se infiltra agua contaminada, o calcular si
ser preferible extraer el caudal necesario mediante un solo sondeo
de mayor caudal o con varios de menor caudal, etc.Observamos en la
figura que la ecuacin del cono ha de ser s=f(1/r) [s=descenso,
r=distancia], es decir, a ms distancia, menor descenso.
Serfuncindel caudal (Q): si bombeamos un mayor caudal generaremos
un cono mayor.En rgimen variable, ser adems funcin del tiempo: s =
f (1/r, t). En ambos casos, variable o permanente, ser funcin del
acufero: mejor acufero, menores descensos. Pero existe una
diferencia fundamental: en rgimen permanente, el acufero ya no
aporta agua por vaciado de poros (libre) o por descompresin
(confinado), sino que solamente transmite el agua radialmente hacia
el sondeo que bombea.Por tanto, si se trata o no de un "buen
acufero" en rgimen permanente depender de la transmisividad (T),
mientras que en rgimen variable depender de la transmisividad y del
Coeficiente de Almacenamiento (S), que en un acufero libre
corresponde a la porosidad eficaz (me). En resumen, las frmulas que
reflejen la forma del cono han de ser as:Rgimen permanente: S = f
(1/r, Q, 1/T)Rgimen variable: S = f (1/r, t, Q, 1/T, 1/S)Supuestos
BsicosLas frmulas ms sencillas que nos expresan la forma del cono
de descensos se refieren al caso ms simple posible que rene las
siguientes caractersticas: - Acufero confinado perfecto - Acufero
de espesor constante, istropo y homogneo - Acufero infinito -
Superficie piezomtrica inicial horizontal (=sin flujo natural) -
Caudal de bombeo constante - Sondeo vertical, con dimetro
infinitamente pequeo (=agua almacenada en su interior despreciable)
- Captacin "completa" (= que atraviese el acufero en todo su
espesor).Posteriormente, las formulaciones bsicas, vlidas para esas
condiciones ideales, se van complicando para adaptarse al
incumplimiento de una u otra de las condiciones referidas: acufero
semiconfinado o libre, acufero que se termina lateralmente por un
plano impermeable. GalerasYa existan galeras para agua
enMesopotamiaen el siglo IV a. C. Con una ligera pendiente, el agua
sale al exterior por gravedad, sin bombeo. Se excavan igual que en
minera. En Canarias es la captacin ms frecuente, generalmente con
varios km de longitud.
DrenesSimilares a las galeras, pero son tubos de pequeo dimetro,
perforados con mquina, normalmente hasta unas decenas de metros.
Son ms utilizados para estabilidad de laderas que para la
utilizacin del agua.
Pozos excavados con drenes radialesSe utilizan en los mismos
casos que los excavados pero con mayor rendimiento. Generalmente en
buenos acuferos superficiales cuando se requieren grandes caudales.
Su radio equivalente puede evaluarse mediante la siguente frmula
(CUSTODIO, 1983, p.1823):
re = Radio equivalenteLm = Longitud media de los drenesn = Nmero
de drenes
Zanjas de drenaje
La resolucin de la ecuacin general de flujoLa ecuacin general de
flujo subterrneo es una ecuacin diferencial enderivadasparciales de
segundo orden que admite infinitassoluciones.Dicho de otro modo
puede aplicarse a la inmensa mayora de los de
mssistemashidrogeolgicos, enconcretoa todos aquellos a los que se
pueda aplicar laleyde darcyLa resolucin de un problema de concreto
a partir de la ecuacin general del flujo subterrneo exige las
definiciones de las caractersticas particulares de esesistemade
flujo subterrneo, conocidas como sus definiciones de contorno,
incluyendo sugeometra(forma y dimensiones) y su relacin con las
unidades hidrogeolgicas y otros elementos adyacentesExisten tres
tipos de contorno:1.-Potencial impuesto, condicin de contorno de
primeraclaseo de dirichlet.En este tipo de lmite el potencial se
conserva constante a lo largo del tiempo .Si el potencial es el
mismo en todos los puntos del contorno, constituye una lnea, una
superficie equipotencial .suele estar asociado a contactos entre el
acufero y masa de agua de importancia: lagos, mares, ros
caudalosos, etc.2.-Flujoimpuesto,condicin de contorno de segunda
clase o de neumann.Existe un flujo de agua definido que sale del
acufero o penetra en el .Este flujo puede ser nulo en el caso del
contacto entre el acufero y una unidad impermeable .Las divisorias
de agua tambin se ajustan a este tipo de condicin de
contorno3.-Flujo condicionado por el valor del potencial
hidrulico,condicin de contorno de tercera clase o de cauchy .Se
aplica a las entradas y salidas de agua del acufero a travs de
capas semiconfinantes que lo separan de otra fuente de recarga
externa .El flujo que sale del acufero o penetra en el depende de
la diferencia del potencial entre el acufero y la fuente externa ,
de la conductividad hidrulica vertical del acuitardo o capa
semiconfinante, de su extensin superficial y de su espesorUna vez
establecidas las correspondientes condiciones de contorno, la
solucin de la ecuacin general del flujo es nica y corresponde al
problema que se planteaLa resolucin de la ecuacin general de flujo
puede abordarse de tres maneras diferentes: Grficamente
Analticamente Numricamente
Si el nivel del agua no vara significativamente, las grandes
masas de agua superficial(lagos, mares, embalses) pueden ser
consideradas como condiciones de contorno de potencial constante.
Foto: Embalso de camporredondo RESOLUCION DE LA ECUACION GENERAL DE
FLUJOLa resolucin grafica de la ecuacin general del flujo solo es
aplicable en rgimen permanente (sobre representacionesgraficasde la
situacin del acufero en un tiempo determinado).Es conocida con el
nombre demtodode lasredesde flujoA.-Definicin de laredde flujoLa
ley de darcy permite definir un vector velocidad que es la
resultante de todos losvectoresque podran definirse para cada uno
de los poros en la zona consideradaLlamaremos lnea de corriente a
la lnea que constantemente es tangente al vector velocidad
defini9do en un medio poroso a partir de la ley de darcy
.Matemticamente seria la envolvente del vector velocidad .Una
trayectoria seria una lnea, ms o menos tortuosa, que constituir el
lugar geomtrica de las sucesivas posiciones de una partcula de agua
en su movimiento a travs de un medio porosoB.-Superficies
equipotenciales(en sistemas tridimensionales) o lneas
equipotenciales (en sistemas un o bidimensionales),son el lugar
geomtrico de los puntos que tiene el mismo potencial hidrulico. Se
trata de superficies o lneas en las que el agua subterrnea tiene la
misma energa en todos sus puntosC.-El gradiente geotrmico. Indica
ladireccinen la que se produce el mximo cambio de energa entre cada
dos equipotenciales. Por lo tanto es perpendicular a los
equipotenciales .Por lo tanto es perpendicular a las
equipotenciales (camino ms corto entre ellos). Como, segn Ley de
Darcy, el vector velocidad y el vector gradiente son paralelos
entre si, el vector velocidad tambin seria perpendicular a las
equipotenciales. Puede concluirse que lneas de corriente y
equipotenciales son perpendiculares entre si .Para ello el medio ha
de ser homogneo e istropo.En un acufero homogneo e istropo, lneas
de corriente e equipotenciales constituyen una malla ortogonal que
se llama red de flujo .la red de flujo define el movimiento de las
aguas subterrneas puesto que las lneas de corriente van en la
direccin perpendicular a las equipotenciales y en el sentido de los
potenciales decrecientes Las redes de flujoPermiten tambin el
tratamiento cuantitativo del sistema hidrogeolgico sin mas que
aplicar la ley de darcy a la malla definidaSe denomina tubo de
flujo a la porcin de acufero limitada por una serie de lneas de
corriente que pasan por un contorno cerrado .Lapropiedadesencial de
los tubos de flujo es que el caudal que circula por ellos se
conserva constante
Red de flujo en medio homogneo e isotrpo: las lneas
equipotenciales y de corriente son perpendiculares entre s. Las
lneas de corriente tienen el sentido de las potencias
decreciones
Sea el tubo de flujo de la figura, definido por dos lneas de
corriente en un sistema bidimensional homogneo e istropo de
conductividad hidrulica K y en el que ladistribucinde energa del
agua subterrnea en su interior viene definida por las
equipotenciales h1 y h2 , siendo h1 > h2Aplicando la ley de
Darcy se puede calcular el caudal circulante en la seccin
intermedia definida entre las dos equipotenciales
Este caudal ser el mismo en cualquier seccin del tubo de flujo
perpendicular a las lneas de corriente. Si aumenta la seccin
disminuye la seccin de flujo y viceversa, pero el caudal siempre es
constante
A.-REDES DE FLUJO EN MEEDIOS HETEROGENEOS Y
ANISOTROPOSEnmediosheterogneos hay que tener en cuenta que cuando
una lnea de corriente pasa de un medio de mayor conductividad
hidrulica a otro de menor conductividad hidrulica, se refracta
acercndose a la normal .Por el contrario cuando una lnea de
corriente pasa de un medio de menor conductividad hidrulica a otro
de mayor conductividad hidrulica, se refracta alejndose de la
normal (Hubbert, 1940). Cuantitativamente puede expresarse
En la practica, partiendo de un medio heterogneo y anistropo, se
puede llegar a un medio homogneo e istropo realizando una serie de
transformaciones no muy complicado .Una vez obtenido el medio
homogneo e istropo equivalente se puede trazar en el la red de
flujo y realizar suinterpretacincualitativa y cuantitativa .los
resultados obtenidos se puede aplicar directamente al medio
original.Transformacin de un medio heterogneo y anistropo en un
medio homogneo y anistropoUn medio heterogneo y anistropo puede
representarse por "n" unidades, estratificadas anistropas y de
diferentes caractersticas de conductividad hidrulica cada una de
ellas.Transformar este medio en homogneo y anistropo exige calcular
una conductividad hidrulica vertical equivalente a las n verticales
y una conductividad hidrulica horizontal equivalente a las n
horizontales.Empecemos por calcular la conductividad hidrulica
vertical equivalente. Para ello hacemos circular un caudal Q
conocido en la direccin de la conductividad hidrulica vertical a
travs de una seccin A igual para todo el conjunto de unidades
hidrogeolgicas.
"Calculo de la permeabilidad vertical equivalente"La perdida de
energa total que experimenta el agua al atravesar el conjunto de
unidades es la suma de la energa que pierde al atravesar cada una
de ellas.De la Ley de Darcy se tiene:
Donde:
Es la prdida total de energaEs la suma de los espesores de cada
una de las capas de lamuestraQ: Es el caudal circulanteA: es la
seccin normal al flujoK: es la conductividad hidrulica vertical
equivalenteLa prdida de energa en cada de una de las unidades
hidrogeolgicas ser:
Sumando:
Con lo cual la conductividad hidrulica vertical equivalente
seria:
Para elclculode la conductividad hidrulica horizontal
equivalente se hace circular el agua en la direccin horizontal y se
aplica, como en el caso anterior la Ley de Darcy.En este caso el
agua experimenta la misma perdida de energa en su recorrido por
cualquiera de las capas que integran el medio. El caudal total
circulante horizontalmente, a travs del medio ser:
Siendo:Q: Caudal circulante en la direccin horizontala: Anchura
de las capas (la misma para todas)b: Espesor saturado total (suma
del espesor saturado de todas las capas)Conductividad hidrulica
horizontal equivalente: Perdida de energa (la misma para todas las
capas).: Camino recorrido por el flujo subterrneo
"Calculo de la permeabilidad horizontal equivalente"El caudal
circulante por la primera capa sera:
En donde b1 es el espesor saturado, y k1 la conductividad
hidrulica de la primera capa.El caudal circulante por la segunda
capa sera:
En donde b2 es el espesor saturado, y k2 la conductividad
hidrulica de la segunda capa.Y por la capa n:
En donde bn es el espesor saturado, y kn la conductividad
hidrulica de la ensima capa.La suma de todos estos caudales ser el
caudal total:
Y la conductividad hidrulica horizontal equivalente ser:
Soluciones analticas de la ecuacin general del flujoLa resolucin
analtica de la ecuacin general del flujo es uno de los temas a los
que se presta mayoratencinen lainvestigacinhidrogeolgica a partir
del trabajo de Darcy (1856). Quiz el primer trabajo que se basa en
la Ley de Darcy, para el estudio del movimiento del flujo de agua
hacia un pozo perforado en un acufero libre, sea el de Dupuit
(1863), Forchheimer (1886) y Slichter (1899), independientemente
llegan a la ecuacin general del flujo para rgimen permanente a
partir del principio de conservacin de la masa y la Ley de Darcy.
Jacob (1940), y posteriormente Cooper (1966), deducen la ecuacin
general del flujo para rgimen transitorio.Establecida la ecuacin
general del flujo subterrneo para rgimen estacionario y no
estacionario, los primeros trabajos de investigacin en la
determinacin de soluciones particulares estn relacionados con el
movimiento del agua subterrnea hacia pozos, captaciones de aguas
subterrneas por excelencia.Conviene sealar que la aplicacin de una
ecuacinmatemticaal medio natural exige una simplificacin importante
que implica la aceptacin de las siguienteshiptesisde partida:En
cuanto al acufero: Homogeneidad e isotropa en toda su extensin, que
se supone infinita. Coeficiente de almacenamiento constante. Muro
horizontal y espesor constante. El acufero es, en todo momento y en
todo lugar libre, confinado o semiconfinado.En cuanto al flujo
subterrneo: Es vlida la Ley de Darcy. No hay flujo natural, es
decir la superficie piezomtrica inicial es un plano horizontal. Una
vez iniciado el bombeo el flujo es radial y horizontal (convergente
hacia el pozo si el caudal es de extraccin y divergente desde el
pozo si el caudal es de inyeccin). Esto implica que las superficies
equipotenciales sean cilindros verticales concntricos con el pozo
de bombeo. No existen perdidas de energa por rozamiento al penetrar
el agua en el pozo. El descenso en el infinito es cero.En cuanto al
pozo de bombeo: Esta ranurado a lo largo de todo el acufero, al que
corta en su totalidad. El caudal de bombeo es constante a lo largo
del tiempo. El pozo considerado es el nico que bombea en el
acufero. El radio del pozo es lo suficientemente pequeo como
parapodersuponer que el agua almacenada en el pozo no influye en el
caudal de bombeo. La variacin del nivel piezomtrico consecuencia
del bombeo es simultanea a la extraccin (o inyeccin) de agua y
proporcional al volumen extrado ( inyectado).En cuanto al agua:
Tiene densidad y viscosidad constantes en el espacio y en el
tiempo.Aceptando estas hiptesis, considerando que el rgimen del
acufero puede ser estacionario o no estacionario y las condiciones
de contorno propias de acufero confinado, semiconfinado o libre, se
llega para cada caso a una solucin analtica de la ecuacin general
del flujo, que es la ecuacin de la superficie piezomtrica en el
entorno del pozo para unas determinadas condiciones de bombeo.A
partir de ahora se supondr el caso de caudales de extraccin
(positivos) por ser el ms frecuente. En el caso de caudales de
inyeccin la formulacin es la misma, solo cambia el signo del caudal
y pasan los descensos a ser negativos, es decir, se convierten en
ascensos sobre el nivel piezomtrico inicial.Se establece, al objeto
de medida de magnitudes, un sistema de ejes cartesianos cuyo eje de
ordenadas es el eje del pozo y el de las abscisas el muro del
acufero.Las unidades de medida han de ser homogneas.Las expresiones
que se exponen a continuacin tienen un doble uso: Conocidos los
parmetros hidrogeolgicos del acufero se puede conocer el efecto del
bombeo en cualquier punto del mismo para diversos caudales de
extraccin. Se incluye en este aspecto el clculo de la distancia a
partir de la cual el efecto del bombeo es nulo, conocida como radio
de influencia del bombeo.Tambin puede determinarse el caudal
especfico del pozo, que es una medida de su rendimiento. Se expresa
como el caudal de extraccin dividido por el descenso producido por
el bombeo una vez estabilizado el nivel en el pozo a efectos
prcticos. El caudal especfico es directamente proporcional a la
transmisividad del acufero.Conocidos los efectos puntuales de la
extraccin de un determinado caudal en un pozo, determinar los
parmetros hidrogeolgicos del acufero. A esteprocesose le suele
conocer con el nombre deensayode bombeo. El agua al penetrare en el
pozo sufre un rozamiento "extra" con los elementos relacionados con
el pozo y su construccin:empaquede gravas, filtro, resto de lodos
de perforacin, etc.Este rozamiento lleva consigo una prdida de
energa que se conoce con el nombre de prdidas de carga, que implica
que el descenso medido en el propio pozo de bombeo sea mayor que el
que tericamente se obtendr aplicando la ecuacin correspondiente.
Esto hace que, si se considera el pozo de bombeo como punto para
medir descensos,los valoresmedidos se apartan de los tericos tanto
ms cuanto mayores sean las prdidas de carga( cuanto peor hecho est
el pozo) quedando falseados losvaloresde los parmetros obtenidos de
esta manera.Existen en la actualidad nmerosprogramasinformticos
parta la interpretacin automtica deensayosde bombeo. Un mtodo de
interpretacin, basado en hojas electrnicas de clculo, de uso libre,
es el desarrollado en el USGS por Halford y Kuniansky
(2002).Concepto de rgimen permanenteAcufero confinado en rgimen
permanente:La siguiente figura muestra un esquema de los factores
que intervienen en la ecuacin de Thiem, cuya expresin es:
Donde: Sr es el descenso en el nivel piezomtrico que se produce
a una distancia r del pozo de bombeo [L]. T es la transmisividad
del acufero [L2 T-1]. Q es el caudal de bombeo [L3 T-1]. R es el
radio de influencia [L].
Pozo en acufero confinado en rgimen permanente (Thiem).Esta
ecuacin, conocida como la formula de Thiem (1906), permite obtener,
conocidos el radio de influencia y la transmisividad del acufero,
el descenso que producira en un punto situado a una distancia
determinada del pozo, la extraccin de un determinado caudal. Dicho
de otra manera, proporciona la ecuacin del cono de bombeo
(descensos en funcin de la distancia), producido por la extraccin a
partir de un pozo de un determinado caudal de agua.Acufero
semiconfinado en rgimen permanente: Ecuacin de De Glee (1930)La
figura siguiente muestra el esquema de funcionamiento
correspondiente a un acufero semiconfinado en rgimen
permanente.
Pozo en acufero semiconfinado en rgimen permanente (De Glee).El
acufero esta conectado hidrulicamente a una fuente externa capaz de
proporcionar o recibir agua manteniendo su nivel constante a
efectos prcticos. El bombeo se inicia en estado deequilibrio(la
fuente de recarga y el acufero tienen el mismo nivel piezomtrico).
Al comenzar el bombeo desciende el nivel piezomtrico en el acufero
y, como consecuencia, comienza hacia l un flujo vertical regulado
por la Ley de Darcy, desde la fuente externa a travs del
acuitardo.El sistema tiende a un nuevo estado de equilibrio en el
que toda el agua extrada del acufero por el bombeo del pozo
proceder de la fuente de recarga a travs del acuitardo. A partir de
este momento se alcanza el rgimen estacionario en el que los
potenciales hidrulicos son constantes a lo largo del tiempo. La
deformacin de la superficie peizomtrica del acufero viene dada por
la ecuacin de De Glee (1930).
Donde:Sr = descenso estabilizado [L], producido a una distancia
r, [L], del eje del pozo al bombear un caudar Q [L3 T-1].K0 (r/B)=
funcin del pozo (bacode De Glee).
factor de goteo [L].T = transmisividad del acufero [L2 T-1].K=
conductividad hidrulica vertical del acuitardo
[LT-1].b`=potenciadel acuitardo [L].
Abaco de GleePara obtener lo parmetros hidrogeolgicos del
acufero y del acuitardo puede procederse de la siguiente
manera:Tomando logaritmos:
Puede apreciarse que so a log K0 (r/B) se le suma una constante
se obtiene log s y que si a log r se le resta una constante se
obtiene log (r/b)As pues, si enun ensayode bombeo, una vez
alcanzado el rgimen permanente, se mide el descenso producido a
varias distancias del pozo de bombeo, obtendremos una serie de
puntos [(r1, s1 (rn , sn ))], que representados en papel
biologartmico, darn lugar a una grfica exactamente igual a la de De
Glee pero desplazada de ella por una traslacin.Superponiendo
ambasgrficas, conservando los ejes paralelos, y seleccionando un
eje comn a ambas (no hace falta que el punto est sobre la lnea que
define las grficas, puesto que una vez superpuestas la traslacin se
ha verificado en todo el semiplano), se pueden obtener los valores
numricos (se usan negritas para identificar que se trata de valores
numricos) de las coordenadas del punto seleccionado en ambas
grficas:s, r, K0 (r/B) y (r/B).Las coordenadas as medidas se
diferencian entre s en el valor de la traslacin y por lo tanto
deben satisfacer la ecuacin de De Glee
Como el caudal es conocido puede determinarse la transmisividad
del acufero.Por otra parte:
De donde puede obtenerse el valor de B. conocido B, como la
transmisividad ya es conocida puede calcularse k/by de aqu k,
conductividad hidrulica vertical del acuitardo, se de alguna manera
(por ejemplo, a partir de la columna litolgica del sondeo), se
conoce b, potencia del acuitardo.EJEMPLO: se realiza un ensayo de
bombeo en un acufero semiconfinado por el techo por un acuitardo de
10 metros de espesor. Se bombea desde un pozo totalmente penetrante
en el acufero en un caudal constante de 100 L/s. una vez
estabilizado el cono de bombeo se miden descensos en piezmetros
situadas a las distancias indicadas a continuacin. Se pide calcular
la transmisividad el acufero y la conductividad elctrica vertical
del acuitardo.
Ensayo de bombeo en acufero semiconfinado en rgimen permanente
(mtodo de De Glee)Acufero libre en rgimen permanente: ecuacin de
DupuitUna vez estabilizado el cono de bombeo como se muestra en la
figura el espesor saturado del acufero ser mnimo en el pozo de
bombeo y mximo a partir de una distancia equivalente al radio de
influencia del bombeo. Por esta causa, en la zona del acufero
afectada por el bombeo, la transmisividad el acufero variar
espacialmente dependiendo de la magnitud del espesor saturado,
siendo mxima con el mximo espesor saturado y mnima con el mnimo
espesor saturado. Al ser el acufero homogneo e isotrpico la
conductividad hidrulica no vara de un punto a otro ni de una a otra
direccin.
Pozo en acufero semiconfinado en rgimen permanente (Dupuit).Por
otra parte, al ser la superficie fretica una superficiefsica, las
lneas de corriente pierden la horizontalidad en el entorno prximo
del pozo condicionando su direccin a la forma del cono de bombeo.
Debido a esto, en esta zona afectada por el bombeo las superficies
equipotenciales, perpendicularmente a las lneas de corriente, no
son cilindros verticales.Si los descensos producidos por el bombeo
son muy pequeos en comparacin con el espesor saturado del acufero,
pude asumirse el error de considerar la transmisividad constante
del flujo horizontal, y aplicar entonces la ecuacin de Thiem
(1906).Si no es posible asumir descensos despreciables en
comparacin con el espesor saturado del acucfero, se aplica la
ecuacin conocida comoaproximacin de Dupuit:
Donde: H0 es el espesor saturado del acufero antes de comenzar
el bombeo, que coincide con el valor del potencial hidrulico en el
acufero [L]. H es el potencial hidrulico a una distancia r [L] del
eje del pozo una vez estabilizado el cono de bombeo [L]. Q es el
caudal constante de bombeo [L3 T-1]. K es la conductividad
hidrulica del acufero [LT-1]. R es el radio de influencia del
bombeo [L].
Ensayo de bombeo en un pozo de un acufero semiconfinado en
rgimen permanente (mtodo Dupuit)Donde: S es el descenso [L] que se
produce a una distancia r [L] de un pozo que bombea un caudal
constante q durante un tiempo t [T], en un acufero confinado de
transmisividad T y coeficiente de almacenamiento S. W (u) es la
funcin de pozo. (baco de Theis)Tomando logaritmos:
baco de TheisEs decir, que si a log W (u) se le suma una
constante se obtiene log s y si a log t se le suma una constante se
obtiene log (1/u).Por lo tanto, si en un papel bilogartmico
representamos descensos en funcin del tiempo, medido a una
distancia r del pozo de bombeo, obtendremos una grfica idntica a la
del baco de Theis aunque desplazada de ella por una traslacin de
ejes de valor determinado por las constantes antes dichas.
Suponiendo las curvas de ambas grficas, manteniendo paralelos
los ejes, se puede seleccionar un punto comn cuyas coordenadas,
referidas a los ejes de ambas grficas, llevan implcita la traslacin
y proporcionan los correspondientes valores numricos deW (u), 1/u,
s y t,que ha de satifacer la ecuacin de Theis, pudindose
escribir:
De donde puede obtenerse la transmisividad. Conocido el valor de
este parmetro:
Y se calcula el coeficiente de almacenamiento.Conocidos los
valores de T y S, pueden calcularse los descensos para cualquier
distancia y tiempo de bombeo, conocido el caudal de bombeo.Anlogo
razonamiento puede realizarse para el caso de considerar descensos
en funcin a la distancia, aunque en este cado seria necesario
definir para un tiempo determinado el descenso producido en varios
puntos, al objeto de poder definir bien la grfica siendo necesario
contar, adems de con el pozo de bombeo, con varios puntos de medida
situados a distancias diversas del de bombeo.Concepto de rgimen no
permanenteAcufero Confinado en Rgimen Transitorio. Ecuacin de
Cooper y Jacob (1946):Para el caso de que & < 0.05 puede
aplicarse la simplificacin logartmica de Cooper y Jacob (1946) y
Jacob (1950).
Desarrollando el logaritmo, tenemos:
Es decir, representando en papel semilogartmico (s en
laescalaaritmtica y t en la escala logartmica) la ecuacin de Cooper
Jacob es un recta pendiente positiva:
Y de ordenada en el origen (Fig. 3.21):
De la grfica semilogartmica puede deducirse la pendiente de la
recta como:
Si se elige una abscisa en la que el cociente entre los tiempos
sea 10 (tiempos diferentes entre s en un mdulo logartmico), se
puede poner la pendiente de la recta como:
Y de ah obtener T. Conocida la transmisividad y sabiendo que
cualquier punto de la recta satisface la ecuacin de Cooper Jacob,
bastara obtener de la grfica cualquier par (ti + si), llevarlo a la
ecuacin y sacar el valor de S.Para facilitar los calculos se escoge
como punto a introducir en la ecuacin el correspondiente al tiempo
(to) que hace que el descenso sea cero. Quedar:
Por lo que ha de ser:
O:
De donde puede obtenerse el coeficiente de almacenamiento. El
tiempo se obtiene prolongando la recta hasta cortar el eje de
abscisas.Al igual que en el caso de la solucin de Theis podran
medirse, para un determinado tiempo, descensos en puntos situados a
distancias conocidas del pozo de bombeo, y una vez obtenida la
recta seguir unametodologaanloga a la explicada.Para definir la
recta seran necesario al menos dos puntos de medida adems del pozo
de bombeo.Por analoga entre lasecuacionesde Thiem y de Cooper Jacob
puede deducirse que en este caso el radio de influencia, R:
Es decir, si a:
Se le suma una constante:
Se obtiene log s. Si a log t se le suma una constante:
Se obtiene log (1/&).Bastar representar en papel
bilogartmico los descensos medidos en funcin del tiempo y
superponer la grfica obtenida a la de la funcin de pozo,
conservando los ejes paralelos, para obtener el valor de la
traslacin. A las curvas superpuestas les corresponde un valor de
(r/B) en la grfica de la funcin de pozo (Walton 1960, 1962) (Fig.
3.23).Superpuestas las grficas se obtienen los valores numricos de
las coordenadas de un punto comn referidos a ambas grficas: W (u,
r/B), 1/u, s y t, y puede ponerse:
De donde puede despejarse T. Conocida la transmisividad se puede
obtener el coeficiente de almacenamiento del acufero de:
Se obtiene B y de ah el valor del cociente k/b. Y si de la
columna litolgica del pozo puede saberse el valor del espesor del
acuitardo, es posible conocer su conductividad hidrulica
vertical.Conocidos todos los parmetros es posible calcular, para
cualquier caudal constante de bombeo, los descensos producidos a
cualquier distancia del pozo al cabo de un determinado tiempo de
comenzar el bombeo.Acufero Libre en Rgimen Transitorio. Ecuacin de
Neuman (1975):Cuando se bombea un acufero libre sin alcanzar la
estabilizacin del cono de bombeo, el espesor saturado del acufero
varia en el espacio y en el tiempo. Encontrar una ecuacin capaz de
admitir esta doble variacin es un problema que no est resuelto.En
la prctica, cuando los descensos producidos por el bombeo son
pequeos en comparacin con el espesor saturado del acufero, puede
asumirse que la transmisividad es constante en el espacio y en el
tiempo y aplicar la ecuacin de Theis.Tambin puede recurrirse a
prolongar el bombeo en el tiempo hasta que los descensos sean tan
pequeos que pueda asumirse el rgimen casi permanente y aplicar
entonces la ecuacin de Dupuit. Esta metodologa tiene el
inconveniente de que permite calcular la conductividad hidrulica
pero no el coeficiente de almacenamiento.En el primer caso se trata
de una aproximacin que a veces puede resultar un tanto burda,
puesto que la extraccin de agua de un acufero libre supone un
vaciado fsico del acufero en el que interviene el drenaje por
gravedad, que es un fenmeno lento.No es aceptable, entonces, la
hiptesis de que el agua se libera, en el acufero, instantnea y
simultneamente a la extraccin, dejando de cumplirse elmodelode
Theis.Neuman (1975), establece la siguiente ecuacin para el caso
del acufero libre en rgimen transitorio con descensos pequeos con
respecto ala espesor saturado del acufero:
Donde:Ses el espesor [L] que se produce a una distancia r [L]
del pozo que bombea un caudal constante Q [L3T-1], durante un
tiempo t [T].W(uA, uB, r) es la funcin de pozo (Neuman 1975).El
mtodo de Neuman asume que en los primeros momentos del bombeo el
agua se libera instantneamente del almacenamiento del acufero como
consecuencia de fenmenos elsticos. El acufero se comporta como
confinado de transmisividad T y coeficiente de almacenamiento S y
sigue, por lo tanto, la ecuacin de Theis con &A en la funcin de
pozo.Pasados esos momentos inciales, cuya direccin puede ser de
escasos minutos, comienza a llegar al cono de bombeo un flujo
vertical de agua procedente del drenaje por gravedad de los poros
del acufero (fenmeno lento para el que no puede aceptarse la
hiptesis de que el agua se libera del acufero instantneamente y al
mismo tiempo en el que se produce el bombeo).Este drenaje diferido
implica una amortiguacin en los descensos, curvas tipo A, y un
alejamiento del modelo de Theis. Finalmente en una tercera etapa,
despus de un tiempo largo de bombeo, el drenaje diferido disminuye
sensiblemente y las grficas tiempo descenso tienden de nuevo al
modelo de Theis con uB en la funcin de pozo, en la que ya
interviene el coeficiente de almacenamiento caracterstico de los
acuferos libres, me.En la practica se realiza un ensayo de bombeo a
caudal constante midiendo descenso en funcin del tiempo en un punto
situado a una distancia r, conocida, del pozo de bombeo. Hay que
ser diligentes en las primeras medidas para poder obtener los
tramos segundo y tercero. A este efecto conviene previamente,
utilizando valores esperables de los parmetros hidrogeolgicos del
acufero, calcular, al menos en una primera estimacin, el orden de
magnitud del tiempo de duracin del ensayo.En segundo lugar se
representan en papel bilogartmico los valores de los descensos en
funcin del tiempo. La escala logartmica debe tener el mismo modulo
que el baco de Neuman.A continuacin, conservando siempre paralelos
los ejes de ambosgrficos, se superpone el primer tramo de la grfica
de campo al baco de Neuman en la zona de curvas tipo A y se obtiene
el valor r. Adems se obtienen los valores numricos de las
coordenadas de un punto comn con respecto a los ejes de ambas
grficas s, t, 1/uA y W.Con estosdatos:
Vlido para los primeros momentos del bombeo.Despus se procede al
ajuste de la grafica de campo con al curva del baco del mismo valor
de r, pero ahora en la zona de las curvas tipo B correspondientes a
los tiempos finales del bombeo. De manera anloga al caso anterior
se obtienen los valores numricos de las coordenadas de un punto
comn con respecto a los ejes de ambas grficas s, t, 1/uA y W, y de
nuevo:
Vlido para los momentos finales del bombeo.Siel ensayode bombeo
esta bien realizado y la metodologa bien aplicada, los valores de
transmisividad obtenidos de uno u otro modo deben ser muy
semejantes.La conductividad hidrulica horizontal del acufero puede
calcularse como:
Siendo b el espesor saturado antes del comienzo del bombeo
de:
Puede obtenerse la conductividad hidrulica vertical del acufero
Kv [LT-1].Si los descensos son significativos con relacin al
espesor saturado, Neuman sugiere efectuar sobre ellos la siguiente
correccin antes de aplicar la metodologa expuesta:
Siendo sc el descenso corregido, s el descenso medido, y b el
espesor saturado en el acufero medido antes de comenzar el
bombeo.Transiciones yLmitesde los Acuferos:
Principio de superposicin e interferencia de pozosDEFINICION.-
Este principio, se encarga de analizar la interferencia entre una
batera de pozos en una formacin acufera, y el efecto que presenta
este en la produccin de los mismos. El principio de superposicin
nos permite calcular descensos cuando el caudal es variable. Por
ejemplo, supongamos que en un acufero de caractersticas conocidas
se ha bombeado durante 15 horas: las 10 primeras, un caudal de 4
litros/seg , y las 5 horas siguientes se aumenta el caudal a 7
litros/seg.Como en la realidad, se Encuentran los acuferos con
limitaciones hidrogeolgicas definidas, que restringen la
aplicabilidad de losmtodosanalticos, que suponen la extensin
infinita de los acuferos, como lo muestra las Figuras
El mtodo de lasimgenesse utiliza para resolver tericamente estos
casos, aproximando una extensin finita de los acuferos, con un pozo
real y otroimagen. Basado en la linealidad de la Ecuacin
deLaplace(Para acuferos libres, se mantiene si s la variable de
estado es h2 y no h1), suponiendoel trabajode cada pozo y luego
superponerlos, para as obtener la resultante de todos los pozos
trabajando en conjunto.El efecto producido en la superficie fretica
o piezomtrica por dos o ms pozos que bombean (o inyectan) es el
mismo que la suma de todos los efectos que habran producido cada
uno de los pozos individualmente, como si los otros no existieran.
Es ms sencillo explicarlo con un ejemplo: Supongamos que deseamos
saber el descenso generado en el pozo X por los sondeos en A y en B
con las caractersticas indicadas en la figura.
Si disponemos de los datos suficientes para calcular el descenso
que producira A si B no bombeara, y anlogamente el que producira
solamente B, en el caso real (bombean los dos) bastar calcular el
descenso producido por uno y por otro y sumarlos. Para que los
clculos sean lo ms simples posibles, supongamos que el ejemplo de
la figura se desarrolla en un acufero confinado perfecto. Primero
aplicamos la ecuacin de Jacob1 para obtener el descenso producido
por A:
Despus calculamos el descenso producido por B, y despus sumamos
ambos descensos
Leer
ms:http://www.monografias.com/trabajos75/hidraulica-captaciones-agua-subterranea/hidraulica-captaciones-agua-subterranea2.shtml#ixzz3bHeQCXzd
Representando los descensos a lo largo del plano que une A y B
observamos el cono generado por A, el generado por B (en rojo) y la
suma de ambos, que sera lo observado en la realidad. Para
elclculose han utilizado losdatosdel ejemplo anterior, suponiendo
que la distancia entre A y B es de 200 metros.
El Principio de Superposicin se define y utiliza en varios
campos de laFsica, especialmente para la superposicin deondas. A lo
largo de todo el tema utilizamos la ecuacin de Jacob (acuferos
confinados) porque es la ms simple. Por supuesto, en todos los
ejemplos habra que aplicar la ecuacin correspondiente (acufero
semiconfinado, libre...) Bombeo con caudal variablePara ello,
podemos suponer que en el mismo sondeo estn funcionando dosbombas:
una mantiene el caudal de 4 litros/seg hasta el final, y a las 10
horas, la segunda bomba, introducida en el mismo sondeo comenzara a
extraer 3 litros/seg (el incremento de caudal que realmente se
produjo). Esta ficcin tiene que producir el mismo efecto que la
realidad, puesto que las ltimas 5 horas se bombeaban 4+3= 7
litros/seg.
Tambin es sencillo simular una disminucin de caudal. Supongamos
que en un caso similar al anterior, el caudal disminuye de 9
litros/seg a 7. Bastar suponer que el caudal de 9 permanece
constante, y que una segunda bomba comienza a inyectar un caudal de
3 (por tanto, -3 litros/seg), como se esquematiza en la figura
siguiente:Recuperacin Tambin puede plantearse el caso de que
deseemos conocer los descensos existentes despus de untiempot (t
griega, tau) de bombeo y de un tiempo t de descanso. Supongamos que
el sondeo estuvo bombeando 10 litros/seg durante 3 horas, despus se
detuvo, y haestado2 horas parado. Se desea conocer el descenso
despus de esas 2 horas de descanso. Basta suponer (de nuevo
laimagende las dos bombas en el mismo sondeo) que el bombeo no se
interrumpi, sino que a esa misma hora comenz a inyectarse el mismo
caudal que se est extrayendo. Es obvio que extraer 10 litros/seg y
simultneamente inyectar 10 litros/seg sera lo mismo que no extraer
nada. Con las cifras de la figura adjunta, bastara aplicar la
frmula correspondiente dos veces: 1) Q=10 litros/seg y tiempo=5
horas, 2) Q= 10 litros/seg y tiempo=2 horas. Finalmente, sumarlos
valoresobtenidos por ambos clculos.
A.-Sondeos que inyectan agua: Conos de ascensos Sabemos que si
inyectamos un caudal se genera un cono de ascensos idntico al que
se hubiera creado al bombear el mismo caudal, pero invertido. Para
calcularlo es suficiente utilizar la frmula adecuada al tipo de
acufero de que se trate, simplemente introduciendo en la frmula
unvalornegativo para el caudal, con lo que la frmula nos devuelve
un descenso negativo, es decir: un ascenso Esta idea general es
vlida para cualquier acufero: slo habra que aplicar las frmulas
adecuadas a acuferos semiconfinados o libres. Pero vamos a ver aqu
brevemente la aplicacin a acuferos confinados, que siempre es lo ms
simple.
En la figura adjunta vemos los descensos en un acufero confinado
que estuvo bombeando 3 horas tras las cuales ha estado detenido
otras 2 horas 2En la figura se han sealado descensos a los 240
minutos, cuando llevaba parado 1 hora: Si el bombeo no se hubiera
detenido (hubiera bombeado 4 horas) el descenso alcanzado hubiera
sido de La virtual inyeccin de un caudal idntico al bombeado,tras 1
hora, habra generado un ascenso Sr. Por tanto, el descenso residual
es:
El clculo con la frmula de Jacob sera:
Si conocemos solamente un dato de descenso residual (s") tras un
tiempo de recuperacin t, y el caudal (Q), podemos utilizar la
expresin anterior para evaluar la transmisividad (T) del
acufero.Ejemplo: Se ha bombeado un caudal de 5 litros/seg durante 2
horas. Se detiene el bombeo y 1,5 horas despus, el descenso
residual es de 0,93 m. Calcular la Transmisividad. Despejando T en
la ltima frmula, resulta:
Mucho ms fiable es disponer de todos los datos de la recuperacin
y representar s" enfuncinde Log (t + t / t). El clculo de T es muy
sencillo, por el mismoprocedimientoque la prctica delmtodode Jacob.
Ejemplo: Se ha bombeado un caudal de 3,5 litros/seg durante 3 horas
(t ), y tras la detencin del bombeo se han medido en un piezmetro
prximo los tiempos y descensos residuales que se indican en las dos
primeras columnas de la tabla adjunta: Calculamos la tercera
columna, (t+t)/ t. Por ejemplo, para 5 minutos ser: (5+180)/5
El grfico se ha calculado con la frmula de Theis y con los
siguientes datos: T=100 m2/da, S= 5.10-5, Q= 10 litros/seg, r= 50
mRepresentamos en un grfico semilogartmico los descensos residuales
en funcion de (t+t)/ t:Si aplicamos la ecuacin (1) a dos puntos de
la recta de modo que en abcisas uno sea 10 veces mayor que el otro,
y restamos miembro a miembro,resulta (ver la figura adjunta): Con
los datos del grafico adjunto leemos que para una variacin en
abcisas de 2 a 20, el incremento en ordenadas es 3,4 metros.
Aplicando la frmula anterior, resulta:
B.-Teorade las Imgenes.- Cuando el acufero termina lateralmente
mediante un plano que pueda asimilarse ms o menos a un plano
vertical y rectilineo, puede aplicarse la Teora de lasImgenes,
tambin basad en el Principio de Superposicin.
El plano lmite puede ser de dos tipos: borde negativo (barrera
impermeable) o borde positivo (un lago o ro, cuyo nivel no se ve
afectado por el bombeo). Analicemos primero el caso de un borde
negativo o impermeable. Si una situacin de este tipo se produce en
la realidad, el cono nunca es simtrico, sino que baja ms por el
lado del borde impermeable, ya que por ese lado le llega menosagua.
La Teora de las Imgenes en este caso podra enunciarse as: Los
descensos generados por un sondeo en un acufero limitado por un
borde negativo son los que se produciran si el acufero fuera
ilimitado, pero que existiera otro sondeo idntico al que bombea
reflejado por el borde negativo que acta como un plano de simetra
.En la figura de la derecha observamos cmo podemos generar el cono
observado en la realidad mediante la superposicin de dos conos
idnticos: el del pozo real si no existiera la barrera y el del pozo
imagen. Este pozo imagen suponemos que es un reflejo exacto del
real: comienza a bombearen el mismo instante y el mismo caudal que
el pozo real (y, por supuesto, que bombea en el mismo acufero, que
hemos supuesto indefinido).
En el caso real de un borde positivo el cono llegar a
estabilizarse cuando todo el caudal extrado sea tomado por el
acufero del ro o lago, quedando un cono asimtrico, como se aprecia
en la figura. De nuevo podemos generar este resultado mediante la
Teora de las Imgenes: suponemos que el borde positivo no existe (el
acufero es ilimitado) y que al otro lado (de nuevo el borde acta
como un espejo) hay otro sondeo idntico al real, pero que inyecta
un caudal idntico al que se bombea en el pozo real. El pozo imagen
generara un cono de ascensos idntico al cono generado por el pozo
real (si el acufero fuera ilimitado) pero invertido. Cuando
aplicamos el Principio de Superposicin, ambos conos se anulan justo
en el plano de simetra, coincidiendo con la realidad: el cono real
al tocar el lago ya no baja ms.
C.-Clculo del descenso en un punto cualquiera (borde positivo o
negativo):Como el pozo imagen no aparece en losmapas(!), si
queremos aplicar esta teora para conocer el descenso en un punto A
cualquiera los pasos sern los siguientes:1. Asimilar el borde real,
que siempre es irregular, a una recta2. Dibujar la perpendicular y
el pozo imagen, simtrico deP, utilizando la recta trazada en el
punto anterior como plano de simetra.3. Medir, aplicando
laescaladel mapa, las distancias desdeA hasta los pozos real (P) e
imagen (P"): r y r"4. Aplicar la frmula correspondiente al tipo de
acufero para calcular el descenso producido en A por P (con la
distancia r) y el producido en A por P" (con la distancia r"), y
sumar los resultados de ambos clculos. Si es un borde positivo, el
descenso en A debido a P" ser negativo: un ascenso.
C.1.-Clculo del descenso estabilizado con un borde
positivo(acufero confinado, simplificacin de Jacob):En el caso de
un borde positivo, se alcanzar el rgimen permanente cuando todael
aguaextrada por el pozo provenga del lago. Para acufero confinado,
podemos obtener la frmula que nos proporcionar el descenso
estabilizado. Utilizamos la ltima figura, suponiendo que el borde
representado en ella es positivo:Descenso en A producido por P:
Descenso en A producido por P":
Recordemos que el caudal de P" es el mismo que el de P, pero con
diferente signo: QP"= -QPSumando los dos descensos se obtiene:
Hemos obtenido una frmula de rgimen permanente: no aparece el
tiempo (t) ni el coeficiente dealmacenamiento(S); nos proporciona
el descenso estabilizado en funcin de la distancia al pozo real y
al pozo imagen.C.2.-Clculo del descenso con un borde
negativo(acufero confinado, simplificacin de Jacob):En el caso de
un borde negativo, el clculo es similar, sumar los efectos
producidos por el pozo real y el pozo imagenDescenso en A producido
por P:
Descenso en A producido por P":
Como el caudal de P" es el mismo que el de P, sumando los dos
descensos se obtiene:
Se obtiene una frmula casi idntica a la original de Jacob, con
dos diferencias: en el denominador, en lugar de r2 aparece r. r", y
adems aparece un 2: eso indica que el descenso producido ser del
orden del doble que si el acufero fuera infinito. Eso tienelgicaya
que al pozo P no le llega agua por uno de sus lados (el borde
impermeable). El descenso sera exactamente el doble que en acufero
infinito si el punto deobservacinconsiderado (A en la figura)
estuviera justamente en el borde negativo, a la misma distancia de
P que de P" (en la frmula se cumplira que r. r"= r2).Caudal
especfico y eficienciaConcepto De Caudal Especfico YEficienciaDe Un
PozoSe llama caudal especifico de un pozo al cociente entre el
caudal de agua bombeando y el descenso dl nivel producido.
Siendo el descenso medido en el pozo.El caudal especfico de un
pozo no es constante para un determinado caudal ya que con el
tiempo el descenso aumenta. Sin embargo los descensos tienden a
estabilizarse y por lo tanto el caudal especifico tambin.Las curvas
caudal-descenso y las curvas caudal especifico descenso se
llamancurvas caractersticas de un pozo.El nivel de agua dentro de
un pozo real es menor o a lo ms igual al nivel de agua en el
exterior del pozo puesto que existe una prdida de carga al
atravesar el agua la zona filtrante, contando como tal al macizo de
gravas, si existe. El descenso adicional debido al paso por la zona
filtrante se llama prdida de penetracin en el pozo.De acuerdo con
las consideraciones que se expondrn en los captulos siguientes, es
posible calcular el descenso terico en el pozo. Se llama eficiencia
del pozo a:
En la eficiencia del pozo intervienen las prdidas de penetracin
en el pozo ms las perdidas por circulacin en la porcin de acufero
prximo y dentro del propio pozo. Generalmente las primeras son las
ms importantes y de ah la necesidad de seleccionar muy bien las
zonas filtrantes.Los pozos poco eficientes no son econmicos por
cuanto para bombear el mismo caudal que un pozo eficiente se
precisan mayores descensos de nivel y por lo tanto mayor altura de
bombeo, o si se tiene limitado el descenso, el caudal obtenido es
menor.La eficiencia de un pozo puede modificarse con el tiempo a
consecuencia de varios fenmenos tales como aparicin de
incrustaciones,corrosin, sedimentacin de arena en el pozo, etc. Las
curvas caractersticas de un pozo relacionan el caudal extrado con
el descenso en la captacin al cabo de un cierto tiempo de bombeo y
son de gran valor para apreciar la eficiencia de un pozo y sus
variaciones.En cierta forma un pozo incompleto contiene una causa
de ineficiencia ya que en igual de condiciones se caudal especifico
es menor que el de un pozo completo debido al incurvamiento de las
lneas de corriente con aparicin del efecto de anisotropa, y a la
menor superficie de paso del agua. Es fcil deducir que los pozos
abiertos solamente por el fondo son muy ineficientes bajo este
punto de vista.Todos estos conceptos expuestos son validos tambin
para captaciones horizontales. Campos de bombeoSi en un acufero se
establecen varias captaciones de agua, stas se influyen unas a
otras ya que el descenso en cualquier punto de un acufero es la
suma de descensos provocados en l mismo por cada uno de los pozos
considerados individualmente. El efecto de la presencia de varios
pozos en un acufero se traduce, pues, en que en cualquier pozo,
para extraer un determinado caudal, es preciso elevar el agua a
mayor altura que si estuviese solo. Esto crea unconsumoadicional de
energa de modo que realmente el establecimiento de un nuevo pozo en
un campo de bombeo perjudica econmicamente a los otros pozos
existentes. En un acufero libre se redice adems el espesor saturado
y por lo tanto la transmisividad, esto produce un nuevo incremento
de descensos a una disminucin de caudales si los descensos no
pueden ser aumentados. No obstante, estas afecciones son necesarias
si se quiere utilizar apropiadamente losrecursosy capacidad de
regulacin de agua del acufero en cuestin. Efectos de loslmitesde
los acuferosSi el cono de descenso de un pozo alcanza un borde (las
palabras borde y limite se manejaran como sinnimos al igual que la
palabra barrera.) impermeable del acufero, no puede extenderse en
esadirecciny por lo tanto los descensos entre el pozo y los bordes
han de ser mayores y ms rpidos parapoderproporcionar el agua que de
otro modo hubiese sido suministrada por la extensin del cono ms all
del borde en cuestin. Si el borde no es del todo impermeable (por
ejemplo disminucin lateral de la permeabilidad del acufero) el
efecto es algo ms amortiguado y el cono puede extenderse algo ms
all del borde.De forma similar, s el cono de descensos de un pozo
alcanza un borde capaz de mantener el nivel contante, por ejemplo
un ro, un lago o el mar, el cono tampoco puede rebasar ese borde,
pero ahora el agua precisa para el bombeo es suministrada por el
citado borde y los descenso se estabilizan rpidamente.Si el lmite
de potencial constante no es capaz de suministrar toda el agua
necesaria (ro con el lecho colmatado de limos, existencia de capas
poco permeables que dificultan la infiltracin, etc.) los niveles no
se estabilizan y el cono rebasa el borde, pero los descenso se
producen ahora ms lentamente. Un efecto similar es producido por un
aumento de la transmisividad del acufero.En un mismo campo de
bombeo pueden coincidir varios tim de bordes o barreras (se
llamanbarreras negativasa los bordes impermeables ybarreras
positivasa los de potencial constante) y entonces el efecto que se
tiene es la combinacin de efectos a medid que el cono de descensos
vaya alcanzando a los distintos limites.El efecto de forzar la
infiltracin de agua superficial o de otros acuferos por bombeo por
bombeo en acuferos directamente relacionados con ellos es
llamadorecarga inducida.El agua del ro o lago para llegar al pozo
debe sufrir un recorrido ms o menos largo por el acufero, con el
consiguiente efecto de infiltrado y a veces de homogeneizacin, lo
cual presenta un indudableinterspractico. Ensayos de bombeo y
puntos de observacinUnensayode bombeo esun ensayorealizado en
condiciones predeterminas y controladas cuyoobjetivopuede ser:a)
Establecer las caractersticas del acufero,b) Conocer el
funcionamiento,c) Determinar la correctaconstruccindel
pozo.Elconocimientode las caractersticas de un acufero es
importante en laprogramacinde su ptimo aprovechamiento y es
requisito necesario de cualquierinvestigacinhidrogeolgica. Tambin
tiene inters por cuanto permite predecir de forma razonable cuales
va a ser los descensos y los caudales obtenibles de un pozo tanto a
corto como a largo plazo.Conociendo las caractersticas de un
acufero puede determinarse el descenso terico en el pozo y por lo
tanto valorar la eficiencia.Losensayosen el pozo, como nico
elemento de observacin, permite valorar su eficiencia, trazar su
curva caracterstica tambin obtener algunas de las caractersticas
del acufero. Sin embargo, para lograr una aceptable precisin en los
datos y valorar suficientemente el acufero conviene realizar
observaciones en otros puntos ya sean otros pozos o bien piezmetros
especialmente instalados para ello.El ensayoobservando nicamente el
pozo de bombeo se llama a veces simplementeaforo.La forma ms comn
de realizar ensayos de bombeo es extrayendo agua a caudal constante
y a partir de un instante en que se puede suponer que el nivel
piezomtrico del acufero estaba estacionario. Los ensayos que miden
en ascenso de niveles en un acufero que previamente han sido
bombeados durante un periodo conocido a caudal contante (ensayo de
recuperacin) son un importante complemento al ensayo de bombeo.
Tambin pueden realizarse ensayos de bombeo a descenso contante en
el pozo, pero son raramente plateados. Sin embargo, pueden tener
inters en el caso de disponerse de un pozo surgente en el que el
descenso viene regulado por la posicin de la boca de la
perforacin.La observacin de los descensos en un campo de bombeo se
hace en pozos ya existentes o en perforaciones practicadas con ese
fin. Si una tal perforacin esta revertida con un tubo y sta solo
est abierta por el fondo ranurado en una longitud pequea tenemos
unpiezmetroque se puede llamarpuntaloperfecto, ya que mide el
potencial hidrulico en el punto en el punto de abertura. En un
mismo lugar y an en el mismo acufero, piezmetros abiertos a
diferente profundidad pueden mostrar niveles diferentes. Si la
longitud ranurada del piezmetro es importante en relacin con el
espesor del acufero o con la distancia al pozo de bombeo, el nivel
que se observa en el es un valor medio a lo largo de su parte
activa entonces se trata de unpiezmetro imperfecto, aunque no por
ello deja de tenerutilidad.Los pozos de observacin son muy
frecuentemente piezmetros imperfectos.Cuando la zona ranurada
abarca todo el espesor del acufero, se puede conocer el potencial
medio, lo cual es de gran inters en muchos tipos
deproblemas.Preparacin ejecucin ensayos de bombeo de pozos ensayos
de inyeccin y recuperacin mtodos1.-PREPARACION Y EJECUCION DE LOS
ENSAYOS DE BOMBEOAl enfocar la solucin de problemas de Hidrologa
Subterrnea en pequea o gran -escala, nos encontramos contnuamente
ante la situacin de poder obtenervaloresconfiables y
representativos de las caractersticas hidrulicas de los acuferos.
Los ensayos opruebasde bombeo han probado ser el medio ms adecuado
para alcanzar ese objetivoComo era lgico esperar, las pruebas de
bombeo han sido interpretadas hasta muy recientemente partiendo del
criterio de que el flujo es lineal en todo el campo alrededor del
pozo. Sin embargo, como se sabe, tanto en acuferos de baja como de
alta conductividad hidrulica puede producirse flujo no lineal, lo
que implica la necesidad de interpretar los ensayos con el criterio
ms general no lineal, que incluye como caso particular el lineal o
Darciano. Adems est claro que el nico medio disponible para poder
obtener los valores de los tres parmetros hidrogeolgicos que
caracterizan hasta el momento los acuferos (k, C y E o sus
propiedades asociadas) es la utilizacin del enfoque no lineal. Es
utilizando ese nuevo enfoque que se presentarn la ejecucin
einterpretacinde los distintos tipos de ensayos de
bombeo.2.-OBJETIVOSY TIPOS DE PRUEBAS DE BOMBEOLa ejecucin de las
pruebas de bombeo responde en general a uno de los dos objetivos
siguientes:a) Estimar la cantidad de agua que puede extraerse de un
pozo bajo condiciones previamente establecidas, o sea, con
propsitos de aforo. En este tipo de pruebas, basta generalmente
obtenerinformacindel pozo de bombeo y de dos pozos de observacin
osatlites.b) Determinar las propiedades hidrulicas de un acufero,
para poder predecir posteriormente sucomportamientobajo situaciones
diversas, evaluar la disponibilidad de recursos de agua subterrnea,
etctera. En general, en este caso, es necesario obtener informacin
de varios puntos seleccionados del acufero, para lo cual se
utilizarn varios pozos de bombeo con dos o ms satlites cada uno. En
laliteraturarusa se denomina a este tipo de pruebas, aforos
experimentales.Por otra parte, desde el punto de vista del caudal
extrado, las pruebas de pozo pueden realizarse a caudal constante o
con abatimiento escalonado.En las pruebas a caudal constante, ste
debe mantenerse fijo durante toda la realizacin de la prueba, por
lo que habr necesidad de ir ajustndolo segn pase el tiempo.Se
denominan pruebas de pozo con abatimiento escalonado a aquellas en
que el caudal extrado del pozo se mantiene constante durante un
tiempo, para cambiar sbitamente a otro caudal que se mantendr
constante durante otro tiempo, para volver a cambiar a un tercer
caudal durante un tercer espacio de tiempo, y as sucesivamente.El
nmero de escalones (de caudales diferentes) deber ser como mnimo
tres, y los espacios de tiempo entre los cambios de caudal no
tienen que ser iguales, aunque s es recomendable que duren lo
suficiente para que pueda utilizarse la aproximacin de Jacob de la
ecuacin de Theis para flujo impermanente.Las pruebas con
abatimiento escalonado tienen la ventaja de poder determinar con
ellas todas las propiedades hidrogeolgicas de un mismo punto del
acufero sin necesidad de utilizar otra informacin que no sea la de
ese punto, por lo que los resultados no quedarn afectados por las
variaciones espaciales de las propiedades, sobre todo en el caso de
los acuferos con fracturas, fisuras o canales de disolucin, que
presentan gran heterogeneidad.Aunque se han
desarrolladomtodosdeanlisisa base de abatimiento constante y caudal
variable(6),un tipo de prueba basado en este criterio sera
imposible de utilizar en la prctica, por las variaciones continuas
que deben introducirse en el caudal, para mantener constante el
abatimiento.Tambin se pueden determinar las propiedades hidrulicas
de los acuferos a travs de pruebas de recarga, pero ese tipo de
pruebas no ser analizado ya que su utilizacin es poco
frecuente.Independientemente del propsito o del tipo de ensayo de
bombeo que vaya a realizarse, se pueden distinguir claramente en
ellos tres fases: eldiseode la prueba, la realizacin de las
observaciones de campo y la interpretacin de los resultados.3.-
DISEO DE LA PRUEBA DE UN ACUIFEROEste es probablemente el ms
importante y ms descuidado de los aspectos fundamentales de una
prueba de bombeo.Elcostode una prueba de bombeo puede ser muy
variable en dependencia de los objetivos que con ella se persiguen,
pero en cualquier caso, resulta imprescindible disear adecuadamente
el experimento para mejorar laprobabilidadde que se obtengan los
resultados esperados y evitar un malgasto de recursos.El diseo
previo de las pruebas, que vayan a ejecutarse en un acufero tiene
el propsito fundamental de obtener con una precisin aceptable, los
valores de las caractersticas hidrulicas del medio. Para ello deber
evaluarse el lugar de la prueba, conocer previamente determinadas
caractersticas del acufero y tomar determinadas precauciones en
relacin con los pozos de bombeo, principales o decontroly con los
pozos de observacin o satlites.(1,5)4.-Evaluacindel lugar de la
pruebaLa evaluacin de las distintas facilidades existentes en el
rea donde nos proponemos realizar las pruebas es el primer paso a
dar para preparar el diseo.Debe hacerse uninventariode los pozos
existentes tanto abandonados como bajo explotacin, ya que la
utilizacin de algunos de ellos puede significar una disminucin del
costo de la prueba, aunque pocas veces ocurre que la configuracin,
estado ydistribucinde los pozos existentes resulte adecuada para la
ejecucin de una prueba. El anlisis de las facilidades existentes
debe realizarse teniendo en cuenta las caractersticas que deben
reunir los pozos de control y los de observacin segn aparece a
continuacin:El pozo de control, de bombeo o principal1. El pozo
principal debe tener instalado un equipo de bombeo confiable, de
capacidad adecuada para la prueba y con su equipo de control de
caudal correspondiente.2. Debe evitarse que el agua extrada pueda
retornar al acufero durante la prueba, por lo que debe ser
conducida lejos del pozo de bombeo. Este aspecto es de
importanciacapitalcuando se trata de un acufero libre cuya
superficie fretica est cercana a la del terreno.3. Los dispositivos
de descarga de la bomba deben permitir la instalacin fcil de
equipos para control remoto y regulacin del caudal.4. Debe ser
posible medir adecuadamente el nivel del agua en el pozo de
control, antes, durante y despus de la prueba.5. El dimetro, la
profundidad total y la posicin relativa de todas las aberturas de
la camisa en el pozo de control deben conocerse detalladamente, es
decir, todas las caractersticas del pozo.Los pozos de observacin o
satlites1. Se recomienda normalmente que los pozos satlite se
dispongan en lneas que forman una cruz cuyo centro es el pozo
principal. Cuando exista flujo natural en un acufero, uno de los
brazos de la cruz deber estar orientado segn la direccin del flujo
y el otro normal a dicha direccin. (2) Cuando no sea posible
econmicamente perforar las 2 lneas de pozos, es conveniente que los
pozos de observacin se dispongan en la lnea normal al flujo (1), en
la cual el nivel esttico de todos los satlites va a ser el mismo.2.
Los pozos de observacin deben ser por lo menos 2 y estarn situados
a distancias radiales del centro del pozo principal de 5 m y de 20
m. Cuando se puedan perforar mayor nmero de pozos estos deben
situarse a 40 m, 80m y 10m del centro del pozo principal. Cuando
por causas econmicas en una prueba de aforo slo se pueda perforar
un pozo de observacin, ste deber situarse a 4 o 5m del pozo de
control. Desde luego, que de esta forma habr que utilizar el pozo
principal para los clculos de las propiedades hidrulicas, con los
inconvenientes que de ello se deriven.3. La respuesta de todos los
pozos de observacin a los cambios de nivel del agua debe probarse
inyectando unvolumenconocido de agua en cada pozo y medir
inmediatamente la declinacin del nivel del agua. El aumento inicial
del nivel del agua debe desaparecer en no ms de 3h, aunque resulta
preferible una respuesta ms rpida.4. Deben conocerse la
profundidad, el dimetro y los intervalos con rejilla de cada pozo
de observacin.5. La distancia radial desde cada pozo de observacin
al centro del pozo de bombeo debe determinarse con la precisin
necesaria, as como la posicin de todos ellos en el plano.5.-
Informacin sobre el acuferoDebe estar disponible o investigarse
convenientemente la siguiente informacin sobre el acufero.1.
Profundidad hasta el acufero, espesor del mismo, as como los
cambios en su configuracin en el rea que va a ser sometida a la
prueba.2. Planos o mapas de las discontinuidades del acufero
causadas por cambios en la litologa o por la presencia de ros y
lagos.3. Estimados de todas las propiedades hidrulicas pertinentes
del acufero y de lasrocasadyacentes realizados por
losmediosdisponibles. Si se sospecha la presencia de capas
semiconfinantes sto debe tenerse en cuenta al analizar los
resultados de las pruebas.6.-Importancia y objetivos de la
evaluacin previa a la pruebaLa realizacin de una evaluacin previa
del lugar donde se ejecutar una prueba de un acufero es muy
importante. Es imprescindible tener en cuenta lo que hemos dicho
respecto al pozo principal y los satlites, tanto para los pozos
existentes como para los que se perforen con el propsito de
ejecutar la prueba.La evaluacin previa del lugar de la prueba tiene
propsitos principales:a) Describir el acufero, el pozo de control y
los pozos de observacin con el detalle suficiente, que permitir
enfocar correctamente su anlisis.b) Suministrar una base firme para
predecir el valor relativo de los resultados de las pruebas
teniendo en cuenta las facilidades existentes y llamar
laatencinsobre las posibles deficiencias en la localizacin de los
pozos de observacin y en otros aspectos.Si la evaluacin previa del
lugar, indica que ste tiene caractersticas que se desvan
notablemente de las que se suponen al deducir las frmulas de pozo
existentes, el lugar debe descartarse como zona de prueba.Cuando
las condiciones del lugar son complejas, como en el caso de
acuferos libres o pozos de penetracin parcial, es obvio que resulta
ms difcil predecir los resultados de la prueba. No obstante, la
prediccin de los resultados debe realizarse en todos los sitios que
se escojan para pruebas, ya que de ese modo podremos estar
advertidos en contra de las deficiencias importantes, por ejemplo,
en la configuracin de la situacin de los pozos y tomar una decisin
acertada respecto a la perforacin de uno o ms pozos en puntos
claves dentro delsistema.Los acuferos confinados son ms fciles de
someter a pruebas que los libres, a causa de que tienen condiciones
de contorno ms simples. En lossistemasno confinados la movilidad
del contorno superior (superficie fretica), las componentes
verticales del flujo y la entrega no lineal del agua desde el
almacenaje, son problemas difciles de tratar, aunque, sin embargo,
estos problemas han podido analizarse conxitorecientemente. Debemos
recordar, adems, que el flujo libre se puede tratar como confinado
dentro de ciertos lmites.En la poca anterior a que se hubieran
podido estudiar analticamente los efectos del flujo vertical y la
entrega retardada de los acuferos libres, la prctica comn era
bombear un "tiempo suficiente" de tal modo que esos efectos se
conviertan en despreciables y se pudiera aplicar elmodeloms simple
del flujo artesiano. Sin embargo no haba un verdadero criterio que
cuantificara ese "tiempo suficiente". En la actualidad,
lassolucionesanalticas existentes han permitido elaborar algunos
criterios para definir el "tiempo suficiente" para poder obtener
una respuesta artesiana de un acufero libre.En la referencia se
mencionan varios de esos criterios, entre ellos el elaborado por
Boulton y por Hantush, que expresa que las componentes verticales
del flujo afectan significativamente la respuesta del acufero, para
tiempos:t < 5 m E/Kzen la regin0 r/m < 0,2donde Kz: es la
conductividad hidrulica lineal vertical del acufero y los
demssmbolos, tal como han sido definidos anteriormente.7.-
REALIZACION DE LA PRUEBA. OBSERVACIONES DE CAMPOEn general, las
pruebas de pozo se ejecutan a caudal constante o con abatimiento
escalonado.Las pruebas a caudal constante deben hacerse con 2
caudales diferentes por lo menos, que estn entre s en una relacin
mnima de 2 a 3. Las pruebas con abatimiento escalonado deben
hacerse con 3 caudales diferentes por lo menos, con relaciones
entre 2 caudales sucesivos de 2 a 3 1 a 2. En todos los casos, el
caudal mayor utilizado, ser ligeramente superior al que se propone
para la explotacin.En cualquier caso resulta necesario en toda
prueba tener determinada informacin sobre las caractersticas de los
pozos y los records de la variacin de los niveles y del caudal
extrado. Todo esto constituye lo que se conoce como observaciones
del campo.Los records que se necesitan para el anlisis y las
tolerancias que se consideran generalmente aceptables en las
mediciones (1), son las siguientes:1. Caudal del pozo de
control:10%2. Profundidad hasta el agua en los pozos, por debajo
del punto de referencia:3mm3. Distancia del pozo de control a cada
pozo de observacin:0,5%4.Descripcinde los puntos de referencia5.
Elevacin de los puntos de referencia:3mm6. Distancia vertical entre
los puntos de referencia y la superficie del terreno:30mm7.
Profundidad total de los pozos:1%8. Profundidad y longitud de los
intervalos con rejillas en todos los pozos:1%9. Dimetro, tipo de
camisa, tipo de rejilla, mtodo de construccin de todos los
pozos.10. Localizacin de todos los pozos en planta en relacin con
algn levantamiento topogrfico o por coordenadas de latitud y
longitud (la precisin depender de lo que necesitemos en cada caso),
pero sobre todo debe estar bien clara la posicin de los pozos de
observacin respecto a los de control.La litologa y las
caractersticas de construccin de los pozos de observacin y el de
control se obtendrn, segn el caso, entrevistando al responsable del
lugar o al que los perfor o de los records litolgicos y de las
caractersticas constructivas que deben prepararse cuando el pozo
haya sido construdo especficamente para la prueba.8.-Observacin de
los niveles del aguaLas frmulas de flujo hacia los pozos se basan,
generalmente, en elcambiode la carga, h, o en el cambio de
abatimiento S. Es muy importante recordar que los cambios de
profundidad hasta el agua, observados durante la prueba pueden
incluir componentes debidas a otrasvariables, como son, por
ejemplo, las variaciones de lapresinatmosfrica, el efecto de las
mareas y una posible recarga del acufero. Por otra parte, el flujo
natural en la mayora de los acuferos es generalmente diferente de
da a da, por consiguiente se hace necesario observar las
profundidades hasta el agua durante un tiempo anterior a la prueba,
para determinar la tendencia del nivel del agua y usarla al
calcular los abatimientos (Fig. 2.1).
Fig.2.1 Hidrograma de un pozo de observacin indicando el
abatimiento sobre la base de la tendencia del nivel del agua
subterrnea cuando no existe extraccin.La observacin de los
abatimientos con precisin slo puede lograrse con una buena
prediccin de la tendencia del nivel del agua o si los efectos de
abatimiento de la prueba son grandes en relacin con otros
efectos.El perodo de observacin anterior al comienzo de la prueba
(anterior a t=0), deber ser, como regla general, al menos del doble
del tiempo que dure la prueba de bombeo.En las zonas de prueba
correspondientes a acuferos artesianos debe llevarse un rcord
contnuo de la presin atmosfrica (con sensibilidad de 3mm
demercurio) durante los perodos de prueba y de identificacin de la
tendencia del nivel anterior a la prueba. Este rcord permitir
realizar los ajustes pertinentes.A partir de las mediciones del
nivel del agua antes de comenzar la prueba, de igual modo que se
identifican los efectos de la presin atmosfrica, podrn
identificarse otras perturbaciones del nivel del agua tales como
las que producen la operacin de pozos cercanos, la recarga del
acufero y las sobrecargas producidas por trenes o fenmenos
ssmicos.Durante la prueba, la profundidad hasta el agua en cada
pozo, debe medirse con frecuencia suficiente para que podamos
contar con un buen nmero de observaciones en cada ciclo logartmico
(alrededor de 8 a 10, por ejemplo). Esto puede lograrse, por
ejemplo, si ejecutamos mediciones del nivel en los tiempos t=1, 1
1/2, 2, 3, 4, 5, 6, 8 y 10 min y en todos los mltiplos de 10 de
esos tiempos en los ciclos siguientes.Durante las 2 h 3 h primeras
a partir de que se inicia la prueba es preferible que haya un
observador en cada uno de los pozos de observacin y en el de
control. Despes de los 300 minutos las mediciones se harn con
espacios de tiempo de 100minutos o ms entre s; en ese caso, podr
utilizarse un solo observador para tomar toda la informacin, ya que
le resultar relativamente fcil trasladarse a los distintos lugares
en un tiempo relativamente corto; eso s, las mediciones deber
hacerlas siempre siguiendo una misma secuencia.Aunque no es
totalmente imprescindible medir todos los pozos simultneamente, s
es conveniente conseguir una separacin uniforme de los abatimientos
en la escala logartmica del tiempo. El tiempo anotado para cada
observacin debe ser el real. Todos los cronmetros utilizados deben
sincronizarse antes de iniciar las pruebas y deben tomarse las
precauciones necesarias para que cada observador sea notificado en
el instante en que comenz la prueba.Como ya hemos visto
anteriormente, en el pozo de bombeo es necesario tener en cuenta
las prdidas que pueden ocurrir aparte de la correspondiente a
laresistenciadel acufero, por eso es imprescindible tener toda la
informacin relativa a las caractersticas de construccin de dicho
pozo.Durante la realizacin de la prueba deben anotarse todos los
detalles que permitan posteriormente identificar cualquier
aberracin en l