GEOHIDROLOGIA

Ing. Renn Cornejo O.Escuela Politcnica NacionalDepartamento de Geologa

PROGRAMA1.0INTRODUCCION

2.0EL CICLO HIDROLOGICO

3.0LOS ACUIFEROS

4.0TEORIA DEL MOVIMIENTO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS

5.0PRUEBAS DE BOMBEO

6.0QUIMICA DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS

CONTENIDO1.0INTRODUCCION

DefinicionesOrigenImportancia

Definicin: Es la ciencia de la ocurrencia, distribucin y movimiento de las aguas por debajo de la superficie terrestre

Tradicionalmente ha incluido:Caractersticas geolgicas Caractersticas hidrulicasEl rgimen de circulacinFsico - qumica de las aguasLa cartografa

El campo se ha ampliado:ProspeccinDiseo y construccin de captacionesAspectos legales (peritaje)AmbienteGeotecniaRiesgos

Estudio multidisciplinario: GeologaHidrulica subterrneaQumica y geoqumicaGeofsicaMatemtica (modelos)

ORIGENAguas de infiltracin o metericas Infiltracin directa A partir de cuerpos de agua superficiales (influentes y efluentes) RiegoAguas conatas, congnitas o fsilesAguas juvenilesAguas regeneradas o de deshidratacin

IMPORTANCIA DEL ESTUDIO Poblacin concentrada en grandes urbes con cada vez mayores exigenciaDesarrollo de agricultura intensivaCrecimiento industrial con mayores necesidades de aguaFuente alternativa en relacin a las aguas superficialesContaminacin de las aguas subterrneasPapel de las aguas subterrneas en ecosistemasPapel de las aguas subterrneas en problemas de estabilidad

Reservas mundiales:

La cantidad de agua en el planeta es constante mientras que la poblacin se incrementa:

La misma cantidad de agua que hoy, en el ao 2025 se dividirn 8.000000.000 habitantes.En el 2025 la reserva mundial disponible por habitante ser tres veces menor que en 1950.

AOPOBLACION19502.500000.00020056.500000.00020258.000000.000

VENTAJASDESVENTAJASEn general no contienen patgenosEn sitios no estn presentes o no estn econmicamente disponibles Temperatura aprox. constantesMayor consumo de energaGeneralmente no tienen turbiedadMayor contenido de STDGeneralmente no contienen colorAguas durasComposicin qumica constanteDifciles de descontaminar natural o artificialmenteGarantizan abastecimiento durante sequas prolongadasPueden contener sustancias objetables y/o indeseablesDifciles de contaminarExplotacin puede provocar subsidenciaEn muchos sitios es nica fuenteExplotacin puede afectar a humedales y/o al caudal de base de los ros

2.0 EL CICLO HIDROLOGICO Descripcin del Ciclo Hidrolgico La Precipitacin La Escorrenta Superficial La Evapotranspiracin La Infiltracin El Balance Hdrico

Descripcin del Ciclo:Es un sistema complejo que consiste en la continua circulacin de agua y humedad en el planeta.Energa proviene de radiacin solar, gravedad, atraccin molecular, capilaridad, entre otrasLas vas son unas muy cortas, otras muy largas, en tiempo y espacio.El volumen de agua involucrado en el ciclo es prcticamente constanteEl agua subterrnea es parte del ciclo hidrolgico, su volumen est en funcin de la infiltracin en la zona de recarga y las prdidas por medio de los manantiales

a) Evaporacin: Una parte se evapora desde la superficie del suelo, otra desde las hojas de los rboles; esta se denomina agua de intercepcin que puede corresponder a un porcentaje importante en lluvias de corta duracin (eventualmente podra alcanzar el 100%)

b) Infiltracin: El agua infiltrada puede seguir los siguientes caminos:

b1) Evaporacin: Se evapora desde el suelo b2) Transpiracin: Las races de las planta absorben parte del agua infiltrada en el suelo, una pequea parte ser retenida para el crecimiento y la mayor parte es transpirada hacia la atmsfera.b3) Escorrenta subsuperficial o hipodrmica: (interflow) Tras un corto recorrido sin alcanzar el nivel fretico llega a la superficie.b4) Por accin de la gravedad circula hasta la superficie fretica y all puede ser atrapada por las races de las freatofitas que a diferencia de otras plantas buscan la zona saturada.b5) El agua restante origina la escorrenta subterrnea o flujo subterrneo.

c) Escorrenta superficial: El agua de las precipitaciones que no se evapora ni se infiltra, escurre por la superficie.

c1) Parte es evaporada: Desde la superficie de los ros, lagos y embalses.c2) Otra parte queda retenida como nieve o hielo o en lagos y embalses como escorrenta superficial retenida. c3) Finalmente una parte importante es la escorrenta superficial rpida que sigue su camino hacia el mar.

Escorrenta Directa: Es la que llega a los cauces en un perodo corto de tiempo luego de iniciada la lluvia; incluye la escorrenta superficial y subsuperficial y el agua que cae directamente en los cauces.Escorrenta bsica o caudal de base: Es la que mantiene el caudal de los ros durante los perodos sin lluvia, incluye el flujo o escurrimiento subterrneo y la escorrenta superficial diferida

Water of HydrospherePeriod of renewalWorld Ocean2500 yearsGround water1400 yearsPolar ice9700 yearsMountain glaciers1600 yearsGround ice of the permafrost zone10000 yearsLakes17 yearsBogs5 yearsSoil moisture1 yearsChannel network16 daysAtmospheric moisture8 daysBiological waterseveral hours

LA PRECIPITACIONDefinicionesMedidas y Unidades Procesamiento de la InformacinClculo de la Precipitacin Media

Tipos de lluvia: Proceso por el cual el agua acumulada en las nubes cae a la superficie de la tierra en estado lquido o slido (nieve o granizo)Ciclnicas o frontalesConvectivasOrogrficas

Medidas de la precipitaciones:

Pluvimetro PluvigrafosRedes Pluviomtricas

Procesamiento de la informacin: Depende de los objetivos del estudioPara cada pluvimetro de la red se deben establecer las precipitaciones diarias, mensuales y anualesPara serie de aos, precipitacin media mensual (en cada mes) y precipitacin media anual Homogeneizar estadsticamente las series.

Clculo de la precipitacin media: Mtodo aritmtico

Mtodo de los polgonos de Thiessen

Mtodo de las isoyetas

Polgonos de Thiessen: Se une cada pluvimetro con vecinos formando tringulosPerpendicular en punto medioExpresa el rea de cada polgono como % de rea totalPrecipitacin media ponderadaSuma de precipitaciones medias ponderadas

Mtodo de las Isoyetas:Area de las franjas entre isoyetas consecutivasResultado se multiplica por el valor promedio de las isoyetas que definen cada rea.Suma los productos y el resultado se divide para rea total

LA ESCORRENTA SUPERFICIAL Aspectos GeneralesDeterminacin del Caudal Presentacin de Datos Hidrogramas

Aspectos Generales:Ocurrencia y transporte de agua en la superficie terrestre.

Precipitacin Retencin Superficial - Infiltracin

La intensidad de la precipitacinIndice de infiltracin de la superficie del sueloDuracin de la precipitacinTipo de vegetacinExtensin de la cuenca hidrogrficaProfundidad del nivel fretico, yPendiente de la superficie del suelo

Si intensidad de lluvia> capacidad de infiltracin

Pelcula de retencin superficialAgua circular hacia los caucesEscorrenta aparece como caudal (hidrogramas)

Agua infiltrada

Humedad del sueloFlujo subsuperficial cauces (hidrogramas)Flujo Subterrneocaudal de base

El caudal estar integrado por:*La precipitacin directa sobre el cauce*La escorrenta superficial (mayor aporte)*La escorrenta (o flujo) subsuperficial o hipodrmicaLa escorrenta subterrnea o flujo subterrneo o caudal de base

* Sumadas corresponde a la escorrenta directa

Determinacin del Caudal: Aforos Directos: mide el caudal de manera directaMolineteAforos qumicos (trazadores)Aforos Indirectos: por el nivel del agua en el cauce se estima el caudal (aforos continuos) Escalas limnimtricasLimngrafosVertederos

Aforo con Molinete:Caudal = Seccin x Velocidad

FlotadoresMolinete

Definir seccin de aforoSe divide a la seccin de aforo en segmentosPara cada segmento se debe determinar la superficie y la velocidad mediaCon estos datos se calcula el caudal en cada segmentoEl caudal total es la sumatoria del caudal de los distintos segmentos.

A = [ (Pa + Pb)/2]* EVm = (Va + Vb)/2

Si profundidad 0,5 metros, dos medidas, una al 20% de la profundidad y otra al 80% de la profundidad; la velocidad media en dicha vertical ser el promedio de las dos medidas.

ANCHO DE LA SECCION DE AFORO (m)ESPACIAMIENTO E (m)Hasta 1,20,11,2 3,00,23,0 5,00,35,0 8,00,48,0 12,00,512,0 18,00,818,0 25,01,025,0 35,01,535,0 50,02,050,0 70,03,070,0 100,04,0> 100,05,0

Aforos Qumicos:Se trata de una prueba de trazadores

Tipo escaln o de vertido constanteTipo impulso o de vertido nico

Tipo Escaln:Qo * Co + q * C1 = Q2 C2

Qo * Co+q * C1 = (Qo+q)* C2

Qo = [q(C2-C1)]/(Co-C2)

Tipo Impulso:P = V * C1Aguas abajo muestras a intervalos de tiempo fijos (cada 5 o 10 segundos) y en ellas se determina la concentracin del trazador (C2).El peso de trazador recogido aguas abajo ser:P = Qt C2dt entre t=0 y tEl caudal total ser por lo tanto:Qt = P/ C2 dtLa integral corresponde al rea bajo la curva que resulta de graficar C2 en funcin de t y puede resolverse discretizndola:Qt = P/(C2*t)El caudal total (Qt) ser:Qt = Q1+V/ t

Escalas o Reglas Limnimtricas: Mide diariamente altura de espejo de agua

Curva de gasto (nivel vs. caudal) por aforos directos

Limngrafos:Variacin del nivel del agua vs. tiempo

Registra en papel o digitalmente

Genera un lignograma

Presentacin de Datos:Los mtodos entregan caudales instantneos, se requieren caudales medios para un perodo de tiempo.Caudales Diarios: Son las lecturas diariasCaudales mensuales: Media de los caudales de todos los das de ese mesCaudales mensuales medios: Media de cada uno de los meses (octubres, noviembres, etc.) para una serie de aosCaudal anual: Medias de todos los das de ese ao.

Caudal medio anual (mdulo): Media de todos los aos de la serie consideradaAportacin mensual: Volumen de agua aportado por el ro en el punto de aforo en el mesAportacin anual: Volumen de agua aportado por el ro en el punto de aforo en el aoCaudal especfico: Caudal aportado por kilmetro cuadrado de la cuenca (caudal medio anual dividido para el rea)Lmina de agua equivalente: Espesor de lmina de agua sobre la cuenca

Lmina de agua equivalente: Espesor de lmina de agua sobre la cuenca (aportacin anual para el rea)

Hidrogramas:Expresin grfica de Q=f(t), variacin del caudal en funcin del tiempoEl rea bajo el hidrograma corresponde al volumen de agua que ha circulado por el punto de aforo en el intervalo de tiempo considerado.Planimetrando el rea bajo la curvaCalcular la integral de dicha ecuacin en el intervalo de tiempo considerado (en caso de que sea conocida).

El hidrograma de crecida:La crecida est en funcin de:

Intensidad de la lluviaDuracin de la lluviaLa extensin de la cuencaForma de la cuenca,Estructuras de regulacinLos componentes del caudal

Componentes:Escorrenta superficialEscorrenta hipodrmicaFlujo subterrneoPrecipitacin directa sobre el cauce

La forma del hidrograma:Para una misma cuenca depende de las relaciones entre:

Intensidad de la lluviaIndice de infiltracinVolumen de agua infiltradaDficit de humedad del suelo

De acuerdo con las relaciones:El caudal puede estar conformado por:

Caudal de base (flujo subterrneo) precipitacin directa sobre el cauceCaudal de base (flujo subterrneo), precipitacin directa sobre el cauce y escorrenta hipodrmica Precipitacin directa y escorrentaPrecipitacin directa sobre el cauce, escorrenta superficial, flujo hipodrmico y flujo subterrneo

Hidrogramas resultantes:

Componentes del hidrograma:Tramo ascendenteTiempo de concentracinPunta, cresta o Pico Tramo descendenteCurva de descensoCurva de de agotamientoTiempo de base Tiempo de Crecida

Precipitacin neta o efectiva:precipitacin que produce escorrenta

t base = t prec.+ t concet.

Separacin de Componentes: Mtodo arbitrario:

Se prolonga la curva de agotamiento anterior a la crecida, hasta cortar a la vertical que baja de la punta del hidrograma.Se une punto de interseccin con el comienzo de la curva de agotamiento que sigue a la crecida (cambio de pendiente); su ubicacin es algo aproximada.

El cambio de pendiente puede ser ubicado mediante frmula emprica:

N = (Ad/2,59)0,2

N: tiempo en dasAd: Superficie de la cuenca hidrogrfica en Km2

Tambin puede fijarse con la ecuacin de la curva de descensos:Qt = Qo e-tKr = e-

Qt = Qo Krt

Si, t = 1Qt = Qo Kr

Graficando la ecuacin:

Volumen de flujo subterrneo:Qt = Qo e-t

Log Qt = log Qo t log e

Volumen de agua aportado por acuferos

LA EVAPOTRANSPIRACIN (ET) Suma de:La evaporacin: Evaporacin, sublimacin desde ros, lagos y embalses, del suelo o de la vegetacin (intercepcin), nieve o hielo.Transpiracin: Fenmeno biolgico por el que las plantas (en mnima proporcin por los animales) pierden agua tomada de la zona radicular o del nivel fretico hacia la atmsfera

Trminos relacionados:Dficit de escorrenta: Precipitaticin que no genera escorrenta, para una cuenca hidrogelgicamente cerrada y perodo superior a 20 aos, diferencia entre precipitacin y escorrenta (equivale a ET).Uso consuntivo: Integra lo evapotranspirado y lo que queda en la planta (proporcin pequea); equivale cuantitativamente a ET.

evapotranspiracin potencia (ETP): Si hay suficiente humedad como para aportar toda lo que es posible evapotranspirar en funcin de las condiciones atmosfricas reinantes.

evapotranspiracin real (ETR): La que efectivamente se produce en las condiciones que se presentan en cada caso, est definida por las condiciones reales de humedad del suelo y de la cobertura vegetal.

ETR ETP

Factores de la evaporacin:Desde superficie libre del agua:

Temperatura del aguaSalinidad del aguaPoder evaporante de la atmsfera (radiacin solar, humedad del aire, viento, temperatura del aire)

Factores de la evaporacin:Desde el suelo:

Poder evaporante de la atmsferaGrado de humedad del sueloTipo de suelo (textura, estructura, ascenso capilar, etc.)

Factores de la ET:

Radiacin solarTemperatura (relacionada con la anterior pero ms fcil de medir)Humedad relativa del airePresin atmosfrica y la altitud que est relacionada con ella (menor presin o mayor altitud, mayor evaporacin)Velocidad del vientoTipo de vegetacinVariaciones estacionales de la vegetacinHumedad del suelo

Capacidad evaporante atmsfera Evapotranspiracin de referencia

ETo = Evap. tanque x Coef Tanque

entre 0,6 y 0,85

Medida de la Evapotranspiracin Lismetro:

P = ETR + Infil. almac.

Manteniendo suelo a CC

P + Rieg. = ETR + Infil.

Clculo de Evapotranspiracin

Formula de Thornthwaite:i = [t/5]1,514I = iETP sin corregir = 16 [10 t/I]a

ETPsin corregir = ETP mensual mm/mes para mes de 30 das y 12 horas de sol (tericas)t = Temperatura media mensual en CI = Indice de calor mensualI = ndice de calor anual a = 675 10-9 I3 771 10-7 I2 +1792 10-5 I + 0,49239

Continuacin:ETP = ETPsin corregir N/12 d/30Donde:

ETP = Evapotranspiracin potencial corregidaN = nmero mximo de horas de sol, dependiendo del mes y la latitud (tabla)D = nmero de das del mes

LA INFILTRACIONCapacidad de infiltracin (fp):Mxima capacidad absorcin de agua, procedente de una lluvia dada, en condiciones dadas.

Indice real de infiltracin (fi): Es siempre menor que la capacidad de infiltracin, salvo cuando la intensidad de la lluvia es igual o mayor a a la capacidad de infiltracin

La infiltracin depende de:Capacidad de infiltracinConductividad hidrulica del suelo (textura y estructura) para la percolacinPerfil del sueloAire atrapado en el sueloCapacidad de adsorcin del sueloTemperatura (viscosidad)Perfil del sueloProfundidad del nivel fretico

BALANCE HIDRICOCorresponde a la ecuacin bsica:

Entradas-Salidas=Variacin Almacenamiento

Se realiza para un perodo de tiempo en:

Cuenca hidrogrfica: Definida por la topografa

Cuenca Hidrogeolgica: Involucra tambin a las aguas subterrneas

Cuenca Hidrolgica: Se refiere a aguas superficiales y subterrneas (similar a cuenca hidrogeolgica)

En superficie:

P-R+Rg-Es-Ts-I=Ss

Bajo la superficie:

I+G1-G2-Rg-Eg-Tg=Ss

En general:

P-R-(Es+Eg)-(Ts+Tg)+(G1-G2)= (Ss+Sg)

P=Precipitacin R=Escorrenta E=Evaporacin

T=Transpiracin I=Infiltracin S=Almacenamien.

G1=Esc.Subt.entrante G2=Esc.Subt.saliente

Rg=Esc.subsuper. que aparece como superficial

S=En superficie g= bajo superficie

Para perodos largos de tiempo (ms de 20 aos) la variacin del almacenamiento es cero.

Reservas:Corresponden al volumen de agua que est presente en el acufero a largo plazo sin considerar las variaciones estacionales.

Recursos:Corresponden al agua que puede renovarse en el perodo de unos aos y es la que debe explotarse, manteniendo inalterado el balance hdrico

Sobreexplotacin:Si se utiliza ms agua de la que puede renovarse, se est utilizando las reservas lo que significa sobreexplotacin.

Mantener el balance inalterado mantiene los ecosistemas en estado natural, pero no permite aprovechar el recurso al mximo sin sobreexplotacin.

Cierta sobreexplotacin inicial provoca un equilibrio distinto, mejora el aprovechamiento del recurso, disminuye la ET, incrementa la infiltracin y favorece el aporte al acufero de los cuerpos de agua superficiales.

Balance natural:De los 100 de precipitacin, 84 se pierden por ET y 16 salen de la cuenca como escorrenta total

Balance con bombeo:Nivel fretico desciende

Infiltracin aumenta por reduccin de humedad del suelo

Et disminuye (races no captan aguas subterrneas)

Escorrenta total disminuye

Balance con bombeo intenso:Ro se hace influente

ET se mantiene

Escorrenta total disminuye

Disminuyen las reservas