Práctica 2 - Explicación

Asignatura: HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA (ITOP) / HIDROGEOLOGÍA (ITM); UPCT
Curso: 2008-2009
Profesora de prácticas: Marisol Manzano Arellano.
Fecha: 10/11/2008
Tel. 968.325443
Práctica 2: TRAZADO E INTERPRETACIÓN DE SUPERFICIES PIEZOMÉTRICAS
1. Objetivos
1.
Aprender a trazar las superficies piezométricas de los distintos niveles acuíferos
existentes en una zona dada.
2. Interpretar la red de flujo de agua subterránea de una zona a partir de las superficies
piezométricas: identificar los niveles acuíferos existentes y el tipo (libre o confinado), el
sentido del gradiente hidráulico y del flujo entre los distintos niveles acuíferos y las
zonas de recarga y descarga.
2. Fundamentos del método
Las superficies piezométricas son representaciones virtuales de la geometría de la
superficie que une los puntos que señalan la altura del agua en un acuífero (o sector de acuífero)
referida a una determinada profundidad en el mismo.
El estudio de las superficies piezométricas permite obtener información básica sobre el
movimiento y comportamiento del agua subterránea, como es el caso de la dirección del flujo del
agua subterránea, la ubicación de zonas de recarga y descarga del acuífero, la existencia de
heterogeneidades hidráulicas tales como cambios de permeabilidad dentro de una misma
formación litológica o cambios de acuífero, la existencia de niveles acuíferos libres y confinados
superpuestos o adyacentes, la existencia de flujos verticales o laterales entre formaciones
distintas, etc.
2.1.- Definiciones básicas
•
Acuíferos libres: son aquellos en los cuales el agua del nivel superior de la zona saturada
se encuentra a presión atmosférica (Fig. 1). Están constituidos por formaciones
geológicas permeables, directamente expuestas a la recarga por parte de la lluvia
(impluvio), que contienen la franja saturada del terreno y que, habitualmente, no están
saturadas en todo su espesor (cuando lo están, el agua aflora en la superficie del
terreno).
Al bombear un acuífero libre el agua que se extrae procede directamente del vaciado de
los poros; por tanto, conociendo la porosidad del acuífero y el espesor de la zona saturada
es fácil calcular el agua disponible en el acuífero (= porosidad saturada).
Por debajo del límite superior de la franja saturada, el agua contenida en estos acuíferos
está sometida a exclusivamente a la presión hidrostática (presión debida al peso de la
columna de agua existente sobre un punto determinado de la zona saturada) más la
presión atmosférica. Si la densidad del agua subterránea es 1 g/cm3 (1 kg/L), la presión
1
del agua aumentará 1 kg/cm2 (1 bar) por cada 10 metros de profundidad. Por tanto, en
acuíferos libres con grandes espesores saturados, el agua que está a cierta profundidad
por debajo de la superficie freática (varias decenas de m) está sometida a una presión
significativamente mayor que la atmosférica.
•
Acuíferos confinados o cautivos: son aquellos en los cuales el agua que contienen está
sometida, en cada punto X del acuífero, a una presión mayor a la atmosférica, y que es
distinta en cada punto del acuífero (ver más abajo la definición de nivel piezométrico).
Los acuíferos confinados son formaciones geológicas permeables totalmente saturadas y
situadas entre dos capas o formaciones geológicas de muy baja permeabilidad (Fig. 1). El
efecto de la capa superior sobre el acuífero es una sobrecarga o confinamiento que
comprime tanto a los materiales (sólidos) como al agua.
Aunque el agua tiene un módulo de elasticidad pequeño, al descomprimir mediante bombeo
un gran volumen de acuífero se puede obtener un volumen considerable de agua sin vaciar
los poros: cuando se bombea un acuífero confinado se produce una disminución de la
presión hidrostática proporcional al aumento de la presión litostática (disminuye el
volumen de agua contenida en los poros pero disminuye también el tamaño de los poros,
aumentando la presión intergranular), de forma que la presión de confinamiento se
mantiene constante durante un tiempo. Si la explotación del acuífero continúa en el
tiempo, puede inducirse el descenso de nivel piezométrico por debajo del techo del
acuífero confinado. En ese caso el acuífero pierde confinamiento localmente y se
convierte en libre (también localmente).
•
Nivel freático: cota absoluta (en m sobre el nivel del mar) que corresponde a la parte
superior de saturación en un acuífero libre. Es una variable de significado puntual, pues la
cota del agua varía espacialmente en el terreno (Fig. 1).
•
Nivel piezométrico: al perforar un pozo en un acuífero confinado, el agua se descomprime
y asciende por la entubación hasta alcanzar una posición por situada por encima del techo
del acuífero. La altura (cota absoluta sobre el nivel del mar) que alcanza el agua se
denomina nivel piezométrico (Fig. 1). Un nivel piezométrico corresponde siempre a la
presión existente sobre el punto del acuífero en el cual está ranurado el pozo o sondeo
(Fig. 2). Por tanto, cada punto de un acuífero confinado tiene un nivel piezométrico propio
y diferente. El nivel piezométrico sólo se manifiesta allí donde existe una perforación. En
la parte superior de los acuíferos libres el nivel piezométrico es el nivel freático.
•
Superficie piezométrica: es una superficie (dos dimensiones, X e Y) virtual que
representa la geometría que une los puntos que señalan la altura del agua en un acuífero,
referida a una determinada profundidad en el mismo. Las superficies piezométricas se
representan mediante líneas isopiezas, o líneas virtuales que unen puntos de igual valor
del nivel (freático o piezométrico) en el acuífero estudiado. El valor de las isopiezas se
debe escribir siempre junto a las mismas (Fig. 3). También se debe procurar que la
separación entre isopiezas (en términos de m de cota) sea igual para toda la superficie
(equidistancia). Informa de la evolución espacial de la profundidad del agua desde la
superficie del terreno, del sentido y valor de los gradientes hidráulicos, de la dirección y
sentido del flujo de agua subterránea, etc.
•
Superficie freática: es la superficie que limita superiormente la zona saturada de un
acuífero libre.
2
Área de recarga del
acuífero confinado
NF: nivel freático (acuífero libre)
NP: nivel piezométrico (acuífero confinado)
Acuífero libre
Acuífero confinado
Acuífero libre
Pozo surgente (acuífero confinado)
NF
NP
Terre
no co
nfina
nte
Acuífero
libre
Acuífero confinado
Manantial:
área de
descarga
natural del
acuífero
confinado
Fig. 1.- Ilustración de los conceptos de acuífero libre y confinado, nivel freático y piezométrico y pozo
surgente.
P/ρw.g
h = z + P/ρw.g
z
Punto P
de medida
g
Datum (nivel
del mar)
h = Nivel piezométrico en el punto de medida P (altura que
alcanzará el agua dentro del piezómetro desde el datum).
z = Energía debida a la elevación del punto P sobre el
datum (nivel de referencia).
P = Presión que ejerce la columna de agua sobre el punto P.
ρw = Densidad del agua
g = Fuerza de gravedad.
P/ρw.g = Representa la longitud de la columna de agua dentro
del piezómetro.
Fig. 2. Esquematización del concepto de nivel piezométrico.
3
le
eab
10
e rm
Imp
8
6
r me a
ble
4
Impe
2
Río
r
Ma
Fig. 3.- Superficie piezométrica. El valor de las isopiezas está en m sobre el nivel del mar.
2.2.- Trazado de superficies piezométricas
Sólo es posible obtener valores del nivel piezométrico en un conjunto de puntos discretos
de un acuífero (pozos, sondeos, manantiales). A partir de ellos deben trazarse las curvas de nivel
(isopiezas) que sirvan para definir la superficie piezométrica.
El trazado de las isopiezas de un acuífero o sector de acuífero requiere, en primer lugar,
dos cosas: 1) que los valores de nivel (freático o piezométrico) medidos correspondan a un mismo
acuífero; 2) que estén expresados en cotas absolutas (m sobre el nivel del mar). Como lo que se
mide en los pozos y sondeos es la profundidad del agua desde un punto concreto del terreno o del
borde de la entubación, ese punto debe estar correctamente nivelado para poder transformar la
profundidad en cota. Una vez comprobado el requisito 1) y realizada la transformación 2), la
determinación del lugar por el cual pasan las isopiezas se realiza mediante interpolación
geométrica sobre el mapa (Fig. 4).
15,1
15,0
15
14
13
13,2
13,5
13,0
12
11
10,1
Fig. 4. Trazado de las líneas isopiezas mediante interpolación a partir de cinco valores de nivel
piezométrico medidos.
4
Se supondrá que el medio es homogéneo e isótropo y que el nivel varía gradualmente. Pero
a la hora de dibujar la traza de las isopiezas se tendrán en cuenta los siguientes requisitos y
precauciones:
1.
La traza de las isopiezas debe ser coherente con la topografía (Fig. 5). En acuíferos
libres la superficie freática no puede estar más alta que el terreno (salvo que se sepa que
las isopiezas intersectan la topografía, generando descarga a manantiales, ríos, lagos,
barrancos, etc.). En acuíferos confinados las isopiezas sí pueden estar más elevadas que
la superficie del terreno: es el caso de los niveles piezométricos de partes profundas del
acuífero cerca de la zona de descarga del mismo (Fig. 1, pozo surgente).
80
75
50
80
80
Isopieza trazada
sin considerar la
topografía
70
Isopieza trazada
considerando la
topografía
70
60
70
68
52
50
60
70
65
60
Fig. 5. Diferencia en el trazado de las isopiezas en un acuífero libre situado en una zona de relieve abrupto
al tener o no en cuenta la topografía en. Las isopiezas trazadas sin considerar la topografía indicarían que el
barranco está lleno de manantiales, cosa que no es cierta (no se indica en el mapa).
2. Las isopiezas deben ser perpendiculares a los límites impermeables del acuífero (Fig. 6a)y
paralelas a las superficies y líneas de nivel constante (lagos, mar, etc.) que tengan
conexión hidráulica con el acuífero (Fig. 6b).
5
a)
50
b)
4
40
3
30
2
20
Materiales impermeables
1
0
1
laguna
línea de costa
Línea isopieza y cota
Fig. 6. a) Las isopiezas son perpendiculares a los límites impermeables. b) Las isopiezas son paralelas a
los cuerpos superficiales de agua de nivel constante (laguna, mar).
5
3. Relación entre las líneas de drenaje del acuífero y las isopiezas: las isopiezas se cierran
de forma cóncava sobre las líneas que drenan al acuífero (Fig. 7a) y de forma convexa
sobre las líneas que son drenadas por el acuífero (Fig. 7b).
a)
5
b)
4
3
5
2
4
3
2
R ío d r e n a n t e o e f lu e n t e
R ío q u e r e c a r g a o in f lu e n t e
Fig. 7. a) Las isopiezas se cierran de forma cóncavas contra las líneas que drenan el acuífero (río) y b)
convexas contra las líneas que lo recargan.
4. La separación espacial entre isopiezas será menor cuando aumente el gradiente hidráulico
(i) por alguna de estas razones: disminución de la permeabilidad del medio; existencia de
una zona de descarga natural del acuífero; existencia de bombeos (Fig. 8).
agua libre
agua libre
Isopiezas
agua libre
Perfil
Fig. 8. La separación entre isopiezas disminuye cerca de áreas de descarga natural y de pozos en
bombeo (el gradiente hidráulico aumenta).
5. Las isopiezas cuyo trazado sea deductivo, es decir, no estén apoyadas en niveles medidos,
se dibujarán con trazo discontinuo y se indicarán en la leyenda como “trazado supuesto”.
6. Los puntos con valores de nivel anómalos respecto a los de su entorno deben ser
desechados en el trazado de las isopiezas: un valor anómalo sin causa técnica (Ej.
bombeos) o hidrogeológica conocida (Ej. cambios espaciales de permeabilidad) puede
corresponder a un error de medida, a un nivel de otro acuífero distinto al que se está
estudiando, a un pozo/sondeo en deficiente estado de conservación y con conexión
hidráulica con el acuífero limitada, a un pozo/sondeo ranurado en varios niveles acuíferos
(caso de acuíferos multicapa) y con entrada preferente de agua por uno de esos niveles.
6
HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA, ITOP/ITM, UPCT
Práctica 2: TRAZADO E INTERPRETACIÓN DE SUPERFICIES PIEZOMÉTRICAS
Objetivos:
1. Aprender a trazar las superficies piezométricas de los
distintos niveles acuíferos existentes en una zona dada.
2. Interpretar la red de flujo de agua subterránea de una
zona a partir de las superficies piezométricas:
identificar los niveles acuíferos existentes y el tipo (libre
o confinado), el sentido del gradiente hidráulico y del
flujo entre distintos niveles acuíferos, la ubicación de las
zonas de recarga y descarga y la cuantificación del flujo
de agua entre dos isopiezas a lo largo de una línea de flujo.
Definiciones básicas: Acuíferos libres
1. El agua del nivel superior de la zona saturada se encuentra a presión
atmosférica.
2. Constituidos por formaciones geológicas permeables; directamente
expuestas a la recarga por parte de la lluvia (impluvio); contienen la
franja saturada del terreno y, habitualmente, no están saturadas en
todo su espesor (cuando lo están el agua aflora en la superficie).
Área de recarga del
acuífero confinado
NF: nivel freático (acuífero libre)
NP: nivel piezométrico (acuífero confinado)
Acuífero libre
Acuífero confinado
NF
Acuífero libre
Pozo surgente (acuífero confinado)
NP
Terr
en
o con
finan
Acuífero
libre
te
Acuífero confinado
Manantial:
área de
descarga
natural del
acuífero
confinado
NIVEL DEL
MAR
Definiciones básicas: Acuíferos confinados o cautivos
1. El agua que contienen está sometida, en cada punto X del acuífero, a una
presión mayor a la atmosférica (presión hidrostática + presión litostática).
3. Formaciones geológicas permeables, totalmente saturadas y situadas entre
dos formaciones geológicas de muy baja permeabilidad. El efecto de la
capa superior sobre el acuífero es una sobrecarga o confinamiento que
comprime tanto a los materiales (sólidos) como al agua.
Área de recarga del
acuífero confinado
NF: nivel freático (acuífero libre)
NP: nivel piezométrico (acuífero confinado)
Acuífero libre
Acuífero confinado
NF
Acuífero libre
Pozo surgente (acuífero confinado)
NP
Terr
en
o con
finan
Acuífero
libre
te
Acuífero confinado
Manantial:
área de
descarga
natural del
acuífero
confinado
NIVEL DEL
MAR
Definiciones básicas: Nivel freático
1. Cota absoluta (en m sobre el nivel del mar) que corresponde a la parte
superior de saturación en un acuífero libre. Es una variable de
significado puntual, pues la cota del agua varía espacialmente en el
terreno.
Área de recarga del
acuífero confinado
NF: nivel freático (acuífero libre)
NP: nivel piezométrico (acuífero confinado)
Acuífero libre
Acuífero confinado
NF
Acuífero libre
Pozo surgente (acuífero confinado)
NP
NF
Terr
en
o con
finan
Acuífero
libre
te
Acuífero confinado
Manantial:
área de
descarga
natural del
acuífero
confinado
NIVEL DEL
MAR
Definiciones básicas: Nivel piezométrico
1. Al perforar un pozo en un acuífero confinado, el agua se descomprime
y asciende por la entubación hasta alcanzar una posición por situada
por encima del techo del acuífero. La altura (cota absoluta sobre el
nivel del mar) que alcanza el agua se denomina nivel piezométrico.
Área de recarga del
acuífero confinado
NF: nivel freático (acuífero libre)
NP: nivel piezométrico (acuífero confinado)
Acuífero confinado
Acuífero libre
Acuífero libre
NP
NF
Pozo surgente (acuífero confinado)
NP
Terr
en
o con
finan
Acuífero
libre
te
Acuífero confinado
NP
Manantial:
área de
descarga
natural del
acuífero
confinado
NIVEL DEL
MAR
Nivel piezométrico (cont.):
2. Un nivel piezométrico corresponde siempre a la presión existente sobre el
agua en el punto del acuífero en el cual está ranurado el pozo o sondeo
(punto A). Por tanto cada punto de un acuífero confinado tiene un nivel
piezométrico propio y diferente.
3. El nivel piezométrico sólo se manifiesta allí donde existe una perforación.
4. En la parte superior de los acuíferos libres el nivel piezométrico es el nivel
freático.
h = Nivel piezométrico en el punto A
Altura que alcanza el agua dentro del
piezómetro medida desde el nivel del mar.
z = Energía debida a la elevación del punto A
sobre el nivel del mar
P/ρw.g
h
z
Punto A
de medida
h= z + P/ρw.g
Datum (nivel
del mar)
P = Presión que ejerce la columna de agua
sobre el punto A
ρw = Densidad del agua
g = Fuerza de gravedad
P/ρw.g = Longitud de la columna de agua
dentro del piezómetro desde la rejilla
Definiciones básicas: Superficie piezométrica
1. Superficie (dos dimensiones, X e Y) virtual que representa la
geometría que une los puntos que señalan la altura del agua en un
acuífero, referida a la profundidad a la que están ranurados los pozos.
2. Se representa mediante líneas isopiezas, o líneas virtuales que unen
puntos de igual valor del nivel (freático o piezométrico) en el acuífero.
El valor de las isopiezas se escribe siempre junto a las mismas. La
separación entre isopiezas (en términos de m de cota) es igual para
toda la superficie (equidistancia).
Superficie freática:
8
Es la superficie piezométrica de un
acuífero libre, o el límite superior
de la zona saturada en un acuífero
libre.
10
le
eab
m
r
e
Imp
Impe
rmea
ble
6
4
2
Río
r
Ma
0
100 m
Definiciones básicas: Superficie piezométrica
3. Informa de:
- La evolución espacial de la profundidad del agua desde la superficie
del terreno.
- De la dirección y sentido del flujo de agua (líneas de flujo).
- El valor espacial del gradiente
hidráulico i y del flujo Q
(conocida la permeabilidad k):
8
i = Δh/L = 2 m/75 m = 0,027
10
le
eab
m
r
e
Imp
Impe
r
Ma
Q = 1 m/d.0,027.1 m2 = 0,027 m3/d
Río
rmea
2
Para K= 1 m/d, el flujo por una
sección unitaria (A = 1 m2 ) es:
ble
6
4
L
Q = K.i.A
0
100 m
Trazado de superficies piezométricas: Método
Consiste en dibujar las isopiezas de un acuífero a partir de valores
puntuales del nivel piezométrico medido en un conjunto de puntos discretos
(pozos, sondeos, manantiales).
El trazado de las isopiezas
requiere:
1)
2)
15,1
15,0
15
que los valores de nivel
(freático o piezométrico)
medidos correspondan a
un mismo acuífero;
que estén expresados en
cotas absolutas (m sobre
el nivel del mar).
La determinación del lugar por
el cual pasan las isopiezas se
realiza mediante interpolación
geométrica sobre el mapa
14
13
13,0
13,2
13,5
12
11
10,1
Trazado de superficies piezométricas: Precauciones
1. La traza de las isopiezas debe ser coherente con la topografía.
- En acuíferos libres la superficie freática no puede estar más alta que
el terreno (salvo que se sepa que las isopiezas intersectan la topografía,
generando descarga a manantiales, ríos, lagos, barrancos, etc.).
- En acuíferos confinados las isopiezas sí pueden estar más elevadas
que la superficie del terreno (caso de los niveles piezométricos de
partes profundas del acuífero cerca de la zona de descarga del mismo).
80
80
Línea de nivel
80
Isopieza trazada
sin considerar la
topografía
70
Isopieza trazada
considerando la
topografía
50
70
60
70
70
75
68
60
70
65
50
52
60
Trazado de superficies piezométricas: Precauciones
2. Las isopiezas deben ser perpendiculares a los límites impermeables
del acuífero y paralelas a las superficies y líneas de nivel
constante (lagos, mar, etc.) que tengan conexión hidráulica con el
acuífero.
5
a)
b)
50
4
40
3
30
2
1
20
0
Materiales impermeables
1
Línea isopieza y cota
línea de costa
laguna
Trazado de superficies piezométricas: Precauciones
3. Relación isopiezas-líneas de drenaje del acuífero (ríos, zonas lineales de
descarga):
- Las isopiezas se cierran de forma cóncava* sobre las líneas que drenan
al acuífero
- Y de forma convexa* sobre las líneas que son drenadas por el
acuífero
* Siempre mirando en el sentido del flujo del río
a)
5
b)
4
3
5
2
4
3
2
Río drenante o efluente
Río que recarga o influente
Trazado de superficies piezométricas: Precauciones
4. La separación espacial entre isopiezas será menor cuando aumente el
gradiente hidráulico (i) por alguna de estas razones:
a) Disminución de la permeabilidad del medio;
b) Existencia de una zona de descarga natural del acuífero;
c) Existencia de bombeos, etc.
agua libre
agua libre
Isopiezas
agua libre
Perfil
Trazado de superficies piezométricas: Observaciones
1. Las isopiezas cuyo trazado sea deductivo (no estén apoyadas en
niveles medidos) se dibujarán con trazo discontinuo y se indicarán
en la leyenda como “trazado supuesto”.
2. Los puntos con valores de nivel anómalos respecto a los de su
entorno deben ser desechados en el trazado de las isopiezas:
Un valor anómalo sin causa técnica (Ej. bombeos) o hidrogeológica
conocida (Ej. cambios espaciales de permeabilidad) puede
corresponder a:
1) un error de medida,
2) un nivel de otro acuífero distinto al que se está estudiando,
3) un pozo/sondeo en deficiente estado de conservación y con
conexión hidráulica con el acuífero limitada,
4) un pozo/sondeo ranurado en varios niveles acuíferos (caso de
acuíferos multicapa) y con entrada preferente de agua por uno de
esos niveles, etc.
Práctica 2. Ejercicios para casa
1.
1.a.
1.b.
1.c.
1.d.
Indicar cuántos acuíferos hay y su carácter libre o confinado.
Indicar la elevación teórica del agua en el sondeo S2.
Decir cuál es la fuente de alimentación hídrica más probable del humedal.
Sabiendo que el cauce lleva agua estacionalmente, decir cuál o cuáles cabe esperar
que sean sus fuentes de alimentación.
1.e. Sabiendo que los limos de la izquierda del corte tienen una conductividad hidráulica de
K = 10-1 m/d, decir si cabe esperar que haya transferencia de agua a través de los
mismos a la altura del sondeo S2. En caso afirmativo, indicar lo siguiente: 1) ¿Cuál es el
sentido del flujo de agua subterránea?. 2) Estimar un valor orientativo del flujo de
Darcy (Q/A) y justificarlo.
2.
2.a. Trazar las curvas isopiezas (es imprescindible escribir el valor de las mismas).
2.b. Describir la relación río-acuífero a lo largo de todo el cauce diciendo si el río es
efluente o influente y dónde.
2.c. Dibujar líneas de flujo indicativas de la trayectoria del agua en el acuífero. Sabiendo que en
el P20 la conductividad hidráulica medida es de K = 50 m/d y el espesor saturado del
acuífero de 15 m, calcular el flujo de agua dulce al mar por unidad de superficie en la
margen izquierda del río entre la isopieza más cercana al mar y la de cota 0 msnm (cero).
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21
P6
P7
63
P5
67
Profundidad agua (m)
14 11 13
Nivel piezométrico (msnm)
57
31
19
16 13,5 8,5
6 15Areniscas
9
5 y conglomerados
6
5
5
5
1
4
3
50 42 35 22 67 63 57 48Permeabilidad
51 50 50 media
40
38 40 30 32 28
25
24
-6
-8 12,5 7,5
7
4
Arenas y gravas
Permeabilidad alta
50
51
P18 Pozo 18
P14
48
P10
50
5
P11
P9
P8
Cota terreno (msnm)
Filitas
64 53 48 29 71 68 63 63Muy
60 baja
55 permeabilidad
56 45
43
40
38
P12
Laguna
P16
P13
32
40
28 P17
Presa
P2
P1
42
P18
P19
-6
-8
P15
Cota del agua
50
en el cierre:
100 msnm
30
P20
P3
35
P4
12,5
P21 7,5
22
0
1 km
Río
45
31
36
1
1