Presentación 2 - Universidad Complutense de Madrid

FACULTAD DE CIENCIAS GEOLÓGICAS
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
Licenciatura en Geología - 4º Curso
Hidrogeología y Geología Ambiental
TEMA 2
El agua en las rocas
Curso 2009/2010

Contenidos
1. Importancia de las aguas subterráneas
2. Clasificación hidrogeológica de las rocas
3. Tipos de acuíferos
4. Energía del agua en los acuíferos
5. Parámetros hidrogeológicos
6. Homogeneidad e isotropía del medio acuífero
Tema 2. El agua en las rocas
2

Importancia de las aguas subterráneas
La explotación de los recursos hídricos del subsuelo ha
experimentado un espectacular crecimiento en las últimas
décadas
La atención recibida por las aguas subterráneas no se
corresponde con la importancia de su uso
Tema 2. El agua en las rocas
3

Público blico
Privado
4

Cummulative percentage
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Ritmo de construcción de embalses a lo largo del siglo XX
1900
1910
1920
1930
1940
U. Kingdom
Italy
Switzerland
1950
Year
1960
Source: Llamas et al (2001)
Data from ICOLD (1998)
India
USA
Spain
1970
1980
1990
2000
5

Number of dams/million inhabitants
30
25
20
15
10
5
0
Spain
Sweden
Austria
Número de embalses por millón de habitantes
Finland
Portugal
France
Italy
U. Kingdom
Luxembourg
Ireland
Greece
Germany
Denmark
Belgium
Source: Llamas et al (2001)
Data from ICOLD (1998)
Netherlands
USA
Switzerland
Japan
India
Brazil
6

Extracción total de aguas subterráneas en España
Source: Libro Blanco
del Agua en España Espa (MIMAM, 2000)
7

Importancia de las aguas subterráneas
¿A qué se debe?
Las aguas subterráneas tienen varias ventajas importantes (sobre
todo para riego):
- Fiabilidad durante las sequías
- Disponibilidad inmediata
- Autogestión
- Relativamente barata, fácil acceso
Su aprovechamiento se ve potenciado por los avances técnicos
Tema 2. El agua en las rocas
8

Del pozo excavado a las
técnicas de perforación
De la noria a tracción a la
bomba sumergible
De los zahoríes a la hidrogeología
como ciencia
9

Tema 2. El agua en las rocas 10

Importancia de las aguas subterráneas
País % Población
abastecida
Alemania 73%
Austria 99%
Dinamarca 99%
España 30%
Francia 56%
Grecia 63%
Holanda 65%
Italia 80%
Portugal 80%
Noruega 13%
Suiza 80%
Estados Unidos 37%
IGME (2001)
% Población abastecida con
aguas subterráneas
Tema 1. El agua en la naturaleza 11

Importancia de las aguas subterráneas
% abastecido
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Más de 20,000 Menos de 20,000
Población total (habitantes)
% Población abastecida con aguas subterráneas
Aguas superficiales
Aguas subterráneas
Otros
Tema 1. El agua en la naturaleza 12

Contenidos
1. Importancia de las aguas subterráneas
2. Clasificación hidrogeológica de las rocas
3. Tipos de acuíferos
4. Energía del agua en los acuíferos
5. Parámetros hidrogeológicos
6. Homogeneidad e isotropía del medio acuífero
Tema 2. El agua en las rocas
13

Clasificación hidrogeológica de las rocas
Clasificación
- Acuíferos
- Acuitardos
- Acuicludos
- Acuífugos
Ejemplos
Criterios hidrogeológicos y regionales
Tema 2. El agua en las rocas
14

Contenidos
1. Importancia de las aguas subterráneas
2. Clasificación hidrogeológica de las rocas
3. Tipos de acuíferos
4. Energía del agua en los acuíferos
5. Parámetros hidrogeológicos
6. Homogeneidad e isotropía del medio acuífero
Tema 2. El agua en las rocas
15

Acuífero libre
- Nivel freático
Acuífero confinado
- Nivel piezométrico
- Artesianismo y surgencias
Acuífero semiconfinado
Paso de un tipo a otro
Tipos de acuíferos
Tema 2. El agua en las rocas
16

IGME (2001)
Tipos de acuíferos
Tema 2. El agua en las rocas 17

Contenidos
1. Importancia de las aguas subterráneas
2. Clasificación hidrogeológica de las rocas
3. Tipos de acuíferos
4. Energía del agua en los acuíferos
5. Parámetros hidrogeológicos
6. Homogeneidad e isotropía del medio acuífero
Tema 2. El agua en las rocas
18

Energía del agua en los acuíferos
El agua se mueve en
función de su energía
Potencial hidráulico
H = z + P/γ
Flujos verticales
- Hacia arriba
- Hacia abajo
Tema 2. El agua en las rocas
19

Potencial hidráulico hidr ulico por tipo de acuífero acu fero
Tema 2. El agua en las rocas 20

Contenidos
1. Importancia de las aguas subterráneas
2. Clasificación hidrogeológica de las rocas
3. Tipos de acuíferos
4. Energía del agua en los acuíferos
5. Parámetros hidrogeológicos
6. Homogeneidad e isotropía del medio acuífero
Tema 2. El agua en las rocas
21

Parámetros hidrogeológicos
Definición de acuífero y parámetros hidrogeológicos
Coeficiente de almacenamiento
- Concepto de porosidad
m = V huecos / V roca
- Porosidad eficaz y porosidad total
m e = V huecos interconectados / V roca
22

Tipos de acuífero acu fero según seg n su porosidad
Tema 2. El agua en las rocas 23

Parámetros hidrogeológicos
Coeficiente de almacenamiento
- Porosidad intergranular
Características
Almacenamiento y heterogeneidad
Comportamiento hidrogeológico
Ejemplos
Tema 2. El agua en las rocas
24

Parámetros hidrogeológicos
Coeficiente de almacenamiento
- Porosidad por fisuración
Características
Almacenamiento y densidad de fracturas
Comportamiento hidrogeológico
Ejemplos
Tema 2. El agua en las rocas
25

Parámetros hidrogeológicos
Coeficiente de almacenamiento
- Porosidad por disolución
Características
Almacenamiento y disolución
Comportamiento hidrogeológico
Ejemplos
26
Tarbuck & Lutgens (2005)

Órdenes de magnitud
Descripción Porosidad eficaz (%)
Rocas masivas Granito 0 a 0.5
Caliza masiva 0 a 1
Rocas metamórficas 0 a 2
Rocas volcánicas Piroclastos 0 a 20
Rocas sedimentarias
consolidadas
Escorias 1 a 50
Pumitas 0 a 20
Pizarras sedimentarias 0 a 5
Areniscas 0 a 20
Caliza detrítica 0.5 a 20
Rocas sedimentarias sueltas Aluviones 5 a 35
Gravas 15 a 35
Arenas 10 a 35
Limos 2 a 20
Arcillas sin compactar 0 a 10
Tema 2. El agua en las rocas
27
Custodio y Llamas (1976)

Parámetros hidrogeológicos
Coeficiente de almacenamiento
Acuíferos libres
- Coeficiente de almacenamiento en acuíferos libres, unidades
- Coeficiente de almacenamiento y porosidad eficaz
- Porosidad drenable por gravedad
- Retención específica
28

Parámetros hidrogeológicos
Ejemplo
¿Qué volumen de agua puede extraerse por gravedad de 1m 3 de material poroso
saturado al 20% y con una porosidad drenable por gravedad del 80%?
Agua total = 0.2 m 3 (1m 3 al 20%)
Agua drenable por gravedad = 0.8 x 0.2 (el 80% del 20%)
V = 1m 3 x 0.2 x 0.8 = 0.16 m 3
V = 160 litros
Tema 2. El agua en las rocas
29

Parámetros hidrogeológicos
Coeficiente de almacenamiento
Acuíferos confinados
- Coeficiente de almacenamiento en acuíferos
confinados, unidades
- Coeficientes de compresibilidad de agua y roca
S = γ·b·me·β + γ·b·α
S = γ·b
(me·β + α)
Tema 2. El agua en las rocas
30

Parámetros hidrogeológicos
Coeficiente de almacenamiento
Acuíferos confinados
- Coeficiente de almacenamiento específico
S* = S / b [1/m]
Tema 2. El agua en las rocas
31

Parámetros hidrogeológicos
Ejemplo
Un acuífero confinado tiene 200m de espesor. Calcular el coeficiente de
almacenamiento si los coeficientes de compresibilidad del agua y de la roca son
4.76·10 -9 m 2 /kg y 0.77·10 -9 m 2 /kg respectivamente, y la porosidad eficaz es 6%
S = γ·b
(me·β + α)
S = 1000 kg/m 3 · 200 m · (0.06 · 4.76 · 10 -9 m 2 /kg + 0.77 · 10 -9 m 2 /kg)
S = 2.1·10 -4
Tema 2. El agua en las rocas
32

Parámetros hidrogeológicos
Ejemplo
Si el acuífero del ejemplo anterior tiene un área de 980km 2 , calcular:
a) Volumen de agua que puede obtenerse bajando el nivel
piezométrico una media de 10m en todo el acuífero
V agua = V T ·S
V T = 10m · 980 km 2 ·10 6 m 2 /km 2 = 9.8·10 9 m 3
V agua = 9.8·10 9 m 3 ·2.1·10 -4
V agua = 2 hm 3
Tema 2. El agua en las rocas
33

Parámetros hidrogeológicos
Ejemplo
Si el acuífero del ejemplo anterior tiene un área de 980km 2 , calcular:
b) ¿Qué volumen de agua se debe a la compresibilidad del acuífero
y qué volumen a la compresibilidad del agua?
Compresibilidad del agua: S = γ·b·me·β S = 1000 kg/m 3 · 200 m · 0.06 · 4.76 · 10 -9 m 2 /kg = 0.000057 [1/m]
Compresibilidad de la roca: S = γ·b·α
S = 1000 kg/m 3 · 200 m · 0.77 · 10 -9 m 2 /kg = 0.00015 [1/m]
S agua = 27.5% S acuífero = 72.5%
34

Descompresión Descompresi n y asentamientos
Tema 2. El agua en las rocas 35

Permeabilidad
Parámetros hidrogeológicos
- Ley de Darcy
Tema 2. El agua en las rocas
36

Órdenes de magnitud
Descripción Permeabilidad (m/d)
Grava limpia > 1000
Arena gruesa limpia 10 a 1000
Arenas de tamaño heterogéneo 5 a 10
Arena fina 1 a 5
Arena limosa 0.1 a 2
Limo 0.001 a 0.5
Arcilla < 0.001
Tema 2. El agua en las rocas
Custodio y Llamas (1976)
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Parámetros hidrogeológicos
Ejemplo
En un permeámetro se observa una diferencia de potencial hidráulico de 80cm
entre el comienzo y el final del tramo relleno de material poroso, que tiene una
longitud de 1m. Si el caudal circulante es de 0.05l/s calcula la permeabilidad
de dicho material en m/d. El permeámetro tiene una sección de 0.25m 2
Q = K · i · A
K = 0.00005 m 3 /s / [(0.8/1) · 0.25 m 2 ]
K = 0.0003 m/s
K = 21.6 m/d
Tema 2. El agua en las rocas
38

Parámetros hidrogeológicos
Ejemplo
Un acuífero confinado tiene una potencia media de 15m. En dos piezómetros
distantes entre si 300m se ha medido un potencial hidráulico de 585.1 y
586.3m respectivamente. Si la conductividad hidráulica es 20m/d calcula el
caudal que circula entre ambos piezómetros por una sección de acuífero de
anchura igual a 1m
Q = K · i · A
Q = 20 m/d · (1.2/300) · (1·50 m 2 )
Q = 4 m 3 /d
Tema 2. El agua en las rocas
39

Permeabilidad
Parámetros hidrogeológicos
- Permeabilidad intrínseca vs conductividad hidráulica
K = K 0 + γ/μ
K 0 = Cd 2
- Concepto de transmisividad, unidades
T = K·b
Tema 2. El agua en las rocas
40

Parámetros hidrogeológicos
Ejemplo
Un acuífero tiene un espesor saturado de 50m y una conductividad
hidráulica de 20m/d. Calcular su transmisividad:
T = k · b
T = 20 m/d · 50 m
T = 1000 m 2 /d
Tema 2. El agua en las rocas
41

Permeabilidad
Parámetros hidrogeológicos
- Velocidad real y velocidad de Darcy
Tema 2. El agua en las rocas
42

Permeabilidad
Parámetros hidrogeológicos
- Ley de Darcy y flujo laminar
- Número de Reynolds
Tema 2. El agua en las rocas
Vallejo et al (2002)
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Parámetros hidrogeológicos
Ejemplo
Los poros de una muestra arenosa tienen un diámetro medio de 0.2mm. A
través de dicha muestra se hace circular agua con una velocidad de
0.0016m/s. Sabiendo que la viscosidad del agua es 1.15·10 -3 N·s/m 2
¿puede considerarse válida la ley de Darcy?
R = [ 1000 kg/m 3 · 0.0016 m/s · 0.0002 m ] / (1.15·10 -3 N·s/m 2 )
R = 0.3 < 4
Flujo laminar (sí puede aplicarse)
Tema 2. El agua en las rocas
44

Contenidos
1. Importancia de las aguas subterráneas
2. Clasificación hidrogeológica de las rocas
3. Tipos de acuíferos
4. Energía del agua en los acuíferos
5. Parámetros hidrogeológicos
6. Homogeneidad e isotropía del medio acuífero
Tema 2. El agua en las rocas
45

Medio homogéneo
Homogeneidad e isotropía
Todos los puntos tienen las mismas características de conductividad
hidráulica
Medio isótropo
La conductividad hidráulica es la misma en todas direcciones
Tema 2. El agua en las rocas
46

Homogeneidad e isotropía
isotrop
Tema 2. El agua en las rocas 47

Transformación
Homogeneidad e isotropía
- Unidades “homogéneas”
- Permeabilidad equivalente
-Vertical
- Horizontal
Tema 2. El agua en las rocas
48

Transformación
Homogeneidad e isotropía
- Permeabilidad vertical equivalente
Tema 2. El agua en las rocas
49

Transformación
Homogeneidad e isotropía
- Permeabilidad horizontal equivalente
Tema 2. El agua en las rocas
50

Homogeneidad e isotropía
Ejemplo
El acuífero de la figura consta de tres capas, cada una con su propio espesor y
conductividad hidráulica. Asumiendo que cada una sea homogénea e isótropa
se pide calcular la permeabilidad equivalente del sistema, tanto en la
horizontal como en la vertical
Tema 2. El agua en las rocas
51

Homogeneidad e isotropía
Ejemplo
El acuífero de la figura consta de tres capas, cada una con su propio espesor y
conductividad hidráulica. Asumiendo homogeneidad e isotropía en cada capa
se pide calcular la permeabilidad equivalente del sistema, tanto en la
horizontal como en la vertical
Horizontal K h = (2·15 + 25·8 + 5·11) / 34 = 8.4 m/d
Vertical K v = 34 / (15/2 + 8/25 + 11/5) = 3.4 m/d
Tema 2. El agua en las rocas
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