Estudio de las características de bombeo por los métodos de Jacob y Theis, con análisis dimensional en pozos confinados en Jamundí, Valle del Cauca

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(1)ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBEO POR LOS MÉTODOS DE JACOB Y THEIS, CON ANÁLISIS DIMENSIONAL EN POZOS CONFINADOS EN JAMUNDÍ, VALLE DEL CAUCA.. IVÁN CAMILO MUÑOZ CANO CINDY ASTRID CHAVARRO JIMÉNEZ. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ, D.C. 2018.

(2) ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBEO POR LOS MÉTODOS DE JACOB Y THEIS, CON ANALISIS DIMENSIONAL EN POZOS CONFINADOS EN JAMUNDÍ, VALLE DEL CAUCA.. IVÁN CAMILO MUÑOZ CANO CÓDIGO 20161579051 CINDY ASTRID CHAVARRO JIMÉNEZ CÓDIGO 20152579038. Proyecto de Grado para optar por el título de Ingenieros Civiles.. ING. FERNANDO GONZÁLEZ CASAS Docente Universidad Distrital F.J.D.C. Tutor de proyecto de grado. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ, D.C. 2018.

(3) Nota de aceptación: __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________. __________________________________ Firma del jurado. __________________________________ Firma del jurado.

(4) AGRADECIMIENTOS. A nuestros padres que desde el principio de nuestra formación nos dieron su apoyo incondicional para salir adelante con nuestras metas y a pesar de todas las dificultades y obstáculos en el camino, nunca nos dejaron solos en este proceso. A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, por darnos la oportunidad de estudiar y ser unos profesionales y en especial a nuestro director de tesis el Ing. Fernando González Casas, por su esfuerzo y dedicación, quien con sus conocimientos, experiencia, paciencia y motivación logró que se culminara este proyecto. A la Corporación Autónoma Regional del Valle de Cauca por la atención y el suministro de las carteras de campo correspondientes a las pruebas de bombeo realizadas en Jamundí y finalmente, a todas las personas que han formado parte de nuestra vida profesional y que de una u otra manera han contribuido con este proceso de formación..

(5) TABLA DE CONTENIDO Pág. 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1 2. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO ........................... 3 2.1. UBICACIÓN GEOGRÁFICA ......................................................................... 3 2.2. FUENTES HÍDRICAS SUPERFICIALES ...................................................... 3 2.3. CARACTERISTICAS CLIMÁTICAS .............................................................. 4 2.4. GEOLOGÍA SUPERFICIAL ........................................................................... 4 2.5. GEOLOGÍA DEL SUBSUELO ....................................................................... 5 3. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL .................................................................... 8 3.1. AGUAS SUBTERRÁNEAS ........................................................................... 8 3.2. PROPIEDADES DE LAS ROCAS ............................................................... 10 3.2.1. Porosidad .............................................................................................. 10 3.2.2. Permeabilidad. ...................................................................................... 13 3.3. PROPIEDADES DEL AGUA ....................................................................... 14 3.3.1. Densidad............................................................................................... 15 3.3.2. Viscosidad ............................................................................................ 15 3.4. ACUÍFERO.................................................................................................. 16 3.4.1. Acuífero a tabla de agua, libre o inconfinado ........................................ 16 3.4.2. Acuíferos artesianos o confinados ........................................................ 17 3.4.3. Acuíferos semiconfinados ..................................................................... 18 3.4.4. Acuíferos colgados ............................................................................... 18 3.4.5. Acuíferos multicapas............................................................................. 18 3.5. PRODUCCIÓN ESPECÍFICA Y COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO 18 3.5.1. Producción específica ........................................................................... 18 3.5.2. Coeficiente de almacenamiento ............................................................ 20 3.6. SOLUCION TRANSIENTE DE THEIS ........................................................ 21 3.7. GRADIENTE HIDRÁULICO ........................................................................ 23 3.8. TRANSMISIVIDAD...................................................................................... 24 3.8.1. Hidráulica de pozos ............................................................................. 24.

(6) 3.8.2. Tipos de captaciones ............................................................................ 25 3.8.3. Principales conceptos básicos. ............................................................ 26 3.9. POZOS EN RÉGIMEN PERMANENTE ...................................................... 30 3.10. ENSAYOS DE BOMBEO .......................................................................... 32 3.11. ACUÍFEROS CONFINADOS .................................................................... 35 3.11.1. Régimen permanente. ........................................................................ 35 3.11.2. Régimen transitorio. ............................................................................ 36 3.12. MÉTODO DE THEIS. ................................................................................ 36 3.13. MÉTODO DE JACOB. .............................................................................. 37 3.14. CÁLCULO DE ERRORES ........................................................................ 41 3.15. TEOREMA DE BUCKINGHAM ................................................................. 42 3.16. APORTE AL MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL ..................................... 44 4. ACTIVIDADES REALIZADAS POR LOS INVESTIGADORES.......................... 45 5. DISEÑO METODOLÓGICO .............................................................................. 46 6. CÁLCULOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................... 47 6.1. CÁLCULO DE LA TRANSMISIVIDAD POR EL MÉTODO DE THEIS. ....... 47 6.2. CÁLCULO DE LA TRANSMISIVIDAD POR EL MÉTODO DE JACOB ....... 53 6.3. CÁLCULO DEL ERROR DE LAS TRANSMISIVIDADES ........................... 56 6.4. CLASIFICACIÓN DE LOS VALORES DE TRANSMISIVIDAD. ................. 57 6.5. RELACIÓN DE LOS RESULTADOS CON LA GEOLOGÍA REGIONAL ..... 58 6.5.1. Capa impermeable superior. ................................................................. 58 6.5.2. Capa permeable o unidad acuífera. ...................................................... 59 6.5.3. Características de bombeo del Municipio ............................................. 59 6.6. ANÁLISIS DIMENSIONAL DE LAS FÓRMULAS DE THEIS Y JACOB ...... 60 7. CONCLUSIONES .............................................................................................. 64 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 66 9. INFOGRAFÍA .................................................................................................... 67 10. ANEXOS ......................................................................................................... 68.

(7) LISTA DE TABLAS. Pág. Tabla 1. Porosidad de algunas rocas……………………………………………........12 Tabla 2. Permeabilidad (K) de algunas rocas…………….…………………….……14 Tabla 3. Relación de la viscosidad………………………………………………........15 Tabla 4. Producción específica (Sy) de algunas rocas……………………………...19 Tabla 5. Transmisividad...……………………………………………………………....24 Tabla 6. Resultado de la transmisividad de los pozos confinados VJ-102, VJ- 110 y VJ-111 mediante el método de Theis.……………………….………………………52 Tabla 7.Resultado de la transmisividad de los pozos confinados VJ-102, VJ- 110 y VJ-111 mediante los métodos de Theis y Jacob…………………………….……….56 Tabla 8.Clasificación de los valores de la transmisividad según Villanueva e Igkesias VJ-102, VJ- 110 y VJ-111 mediante los métodos de Theis y Jacob…………………………….……………………………………………………….57 Tabla 9.Distribución porcentual del rendimiento de la zona plana del valle del Cauca………………………………………..…………………….………………….….59.

(8) LISTA DE FIGURAS. Pág. Figura 1. Corte esquemático geológico del Valle del rio Cauca.…….………………7 Figura 2. Disposición cúbica y rómbica de partículas redondeadas….…………...11 Figura 3. Comparación de dos muestras de arena………………………………….12 Figura 4. Acuífero artesiano o confinado………………….………………………….16 Figura 5. Acuífero artesiano o confinado ………….…………………………………17 Figura 6. Esquema de producción especifica…………………………..…………....19 Figura 7. Coeficiente de almacenamiento….………………..………….……………20 Figura 8. Línea equipotencial donde el potencial de agua es constante.......….....23 Figura 9. Flujo de agua entre líneas equipotenciales ………………………………23 Figura 10. Nivel del agua en pozos en acuífero libre y en acuífero confinado…...26 Figura 11. Flujo radial hacia un pozo………………………………………………….27 Figura 12. Parámetros característicos de un pozo……………………………….....27 Figura 13. Método gráfico de superposición. ………………………………………..38 Figura 14. Anomalías en la recuperación de niveles………………………….........41.

(9) LISTA DE GRÁFICAS. Pág. Gráfica 1.Curva patrón de Theis, función de pozo W(u) para acuíferos confinados de régimen variable …………………………………………………..….47 Gráfica 2.Mediciones de campo de descenso y tiempo del pozo VJ-102, plasmado en escala logarítmica…………………………………………………...........…….......48 Gráfica 3. Mediciones de campo de descenso y tiempo del pozo VJ-110,plasmado en escala logarítmica.………...…………………………………………..………….....48 Gráfica 4. Mediciones de campo de descenso y tiempo del pozo VJ-111, plasmado en escala logarítmica………………………………………..………..….....49 Gráfica 5. Coincidencia de los puntos de las medidas de campo del pozo VJ-102 sobre la curva del gráfico patrón de Theis y asignación del punto de ajuste.….....50 Gráfica 6. Coincidencia de los puntos de las medidas de campo del pozo VJ-110 sobre la curva del gráfico patrón de Theis y asignación del punto de ajuste.….....50 Gráfica 7. Coincidencia de los puntos de las medidas de campo del pozo VJ-111 sobre la curva del gráfico patrón de Theis y asignación del punto de ajuste.….....50 Gráfica 8. Determinación de las coordenadas de descenso y tiempo del punto de ajuste sobre la gráfica de campo del pozo VJ-102.…............................................51 . Gráfica 9.Determinación de las coordenadas de descenso y tiempo del punto de ajuste sobre la gráfica de campo del pozo VJ-110.…............................................51 Gráfica 10.Determinación de las coordenadas de descenso y tiempo del punto de ajuste sobre la gráfica de campo del pozo VJ-111.…............................................52 Gráfica 11. Determinación de la transmisividad del pozo VJ-102 mediante el método de Jacob………………………………………………………….…….............54 Gráfica 12. Determinación de la transmisividad del pozo VJ-110 mediante el método de Jacob……………………………………………………………….............55 Gráfica 13. Determinación de la transmisividad del pozo VJ-111 mediante el método de Jacob……………………………………………………………….............56.

(10) LISTAS DE ANEXOS. Anexo 1. Cartera pozo confinado VJ-102. Anexo 2. Cartera pozo confinado VJ-110. Anexo 3. Cartera pozo confinado VJ-111..

(11) GLOSARIO. Abatimiento: Es la diferencia entre el nivel estático y el nivel dinámico durante el bombeo. Acuífero: es aquella masa de rocas permeables que permiten la circulación y el almacenamiento del agua subterránea por sus poros o grietas. Acuífero confinado: Son formaciones geológicas permeables, completamente saturadas de agua a presión, confinadas entre capas o estratos impermeables o prácticamente impermeables (una inferior y otra superior). Acuífero inconfinado: Es aquel que posee una superficie libre abierta a la atmosfera y denominada superficie freática. Acuífero. semiconfinado:. Se. presenta. cuando. algunas. de. las. capas. impermeables que confinan el acuífero artesiano tiene un cierto grado de permeabilidad. AcuÍfugos: Son formaciones geológicas impermeables que no contienes agua. AcuÍcierres: Son las dos capas confinantes impermeables en las que se encuentra encerrado un acuífero confinado. Acuitardos: Son formaciones geológicas semipermeables que, conteniendo agua en gran cantidad, la transmiten muy lentamente, por lo que estas formaciones no resultan adecuadas para emplazar captaciones. Altura piezométrica: Es la altura sobre un nivel horizontal de referencia, a la cual el agua subirá en un tubo con su extremo en un punto considerado. Área de influencia: Es el área que abarca el pozo para suministrar el caudal extraído..

(12) Buzamiento: Inclinación que presenta las capas que conforman una formación. Caudal: Cantidad de agua que lleva una corriente o que fluye de un manantial o fuente. Caudal óptimo: Es el caudal que se debe extraer de un campo de pozos sin que se afecten las reservas del acuífero. Coeficiente de almacenamiento: Puede definirse como la cantidad de agua que cede un prisma de acuífero de base cuadrada unitaria cuando se le deprime la unidad. Consecuentemente no tiene dimensiones. Densidad: Se define como la relación que existe entre la masa y el volumen. Espesor del acuífero: Es una medida de longitud que está limitada por el techo del acuífero y la base del mismo, que permite el paso del agua desde y a través del medio poroso hacia el pozo. Gradiente hidráulico: Es la medida de la variación de presión con respecto a una unidad de medida de longitud. Filtros del pozo: Es la parte ranurada de la camisa del pozo que cumple la función de evitar el paso de partículas sólidas hacia el interior del pozo, garantizando sólo la entrada del agua. Nivel dinámico: Es el nivel alcanzado por el agua dentro del pozo medido desde superficie bajo condiciones de bombeo. Nivel estático: Es le nivel del agua dentro del pozo medido desde la superficie bajo condiciones estáticas. Hidrología: (Del griego hidro: agua, y logos: estudio), es la ciencia que se dedica al estudio de la distribución, espacial y temporal, y las propiedades del agua presente en la atmósfera y en la corteza terrestre..

(13) Permeabilidad: Es la capacidad que tiene un medio poroso para transmitir el agua bajo la influencia de un gradiente de presión. Pluviosidad: Cantidad de lluvia que cae en un lugar y un período de tiempo determinado. Porosidad: Es una medida del espacio intersticial de una roca y por consiguiente de la cantidad de fluido que el medio puede almacenar, se expresa como el volumen de vacíos dividido por el volumen total ocupado por la roca. Porosidad primaria: Esta porosidad se presenta en aquellas rocas en las cuales los intersticios o espacios vacíos están uniformemente distribuidos en toda la roca. Porosidad secundaria: Se presenta en rocas donde los espacios vacíos son menos uniformes en tamaño y forma que las rocas con porosidad primaria y se encuentran distribuidos irregularmente a través de la formación. Pozo profundo: Es un pozo que puede alcanzar una profundidad hasta 400 metros de aproximadamente y su producción varía de unos pocos litros a cientos de litros por segundo Pozo somero: Pozo con una profundidad relativamente baja hasta de 40 metros. Producción del acuífero: Es el caudal máximo obtenido sin que haya una disminución perjudicial de la altura hidráulica que impida el flujo de agua en cantidad suficiente hacia el pozo. Producción del pozo: Es el caudal máximo obtenido de manera que se evite un descenso del nivel de agua en el pozo por debajo de la tubería de succión. Producción especifica: La producción especifica de una formación acuífera es una medida de su capacidad de suministrar agua y se expresa cuantitativamente como el volumen de agua que un volumen unitario de material dará en un acuífero a su nivel freático cuando se deja drenar libremente..

(14) Prueba de bombeo a caudal constante: Son aquellas pruebas de bombeo en las que el caudal se mantiene constante durante su ejecución. Pruebas de bombeo cíclicas: Consiste en bombear el pozo a una descarga constante durante un tiempo determinado seguido de un periodo de recuperación durante otro tiempo, completándose así un ciclo que se repite cierto número de veces. Pruebas de bombeo escalonadas: Son aquellas en que el caudal extraído del pozo se mantiene constante durante un tiempo, para cambiar súbitamente a otro caudal que se mantendrá constante en el transcurso de otro tiempo, para volver a cambiar a un tercer caudal en un tercer tiempo, y así sucesivamente. Transmisividad Hidráulica de un acuífero: Es la tasa de flujo bajo un determinado gradiente hidráulico a través de una unidad de anchura de acuífero de espesor dado, y saturado. Viscosidad: La viscosidad de un líquido es una medida de su resistencia interna para fluir..

(15) RESUMEN. El presente trabajo contiene los datos correspondientes al análisis de pruebas de bombeo en pozos confinados ubicados en el municipio de Jamundí, departamento de Valle del Cauca, donde se estudian las características de bombeo por los métodos de Jacob y Theis en los pozos confinados VJ-102, VJ-110, VJ-111 a profundidades que oscilan entre 130 y 170 metros. Inicialmente se realiza una descripción de la zona de estudio incluyendo la ubicación geográfica, fuentes hídricas, clima, geología superficial y geología del subsuelo, con esta información se realiza un análisis de la geología presente en los diferentes pozos en el marco del municipio de Jamundí. Posteriormente se halla la transmisividad de cada uno de los pozos estudiados con las carteras de campo que la C.V.C. (Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca) nos suministró, usando los dos métodos mencionados anteriormente, se realiza un análisis comparativo entre los resultados y se calcula el error. Los datos obtenidos, se clasifican de tal manera que sea posible determinar cuál es la producción aproximada de cada pozo y para que tipos de usos puede aprovecharse la producción de cada uno de éstos, igualmente definir las recomendaciones para la preservación de los acuíferos. Se realiza un análisis dimensional de la fórmula de Theis utilizando el teorema π de Buckingham con el fin de explicar detalladamente de dónde y cómo se determinó ésta ecuación y se halla su respectivo parámetro adimensional como solución al fenómeno..

(16) 1. INTRODUCCIÓN. Colombia cuenta con una gran cantidad de recursos hídricos. Esto quiere decir que es uno de los países del mundo con mayor cantidad de ecosistemas que producen agua,. la gran riqueza hídrica (acuíferos, ríos, páramos, humedales,. cuencas, etc.) ésta distribuida a lo largo de casi todo el país. [9] El Instituto Nacional de Investigaciones Geológico-Mineras (INGEOMINAS), organismo responsable de los estudios de agua subterránea en el país, elaboró el mapa hidrogeológico en escala 1: 2’500.000.. Dividió el país en provincias. hidrogeológicas a nivel regional y halló las áreas potencialmente acuíferas. En el país se ha considerado el valle del río Cauca como el principal acuífero, debido a su alta producción y espesor. Se encuentran en el valle sedimentos de material grueso con permeabilidad alta a moderada, desarrollándose allí acuíferos regionales de tipo semiconfinado y confinado. [9] Día a día, cobra más importancia la utilización del recurso agua subterránea en Colombia y es necesario por esto emprender campañas que permitan el conocimiento de nuevos potenciales y un adecuado manejo del agua subterránea para evitar en el futuro, la pérdida de este recurso tan esencial. [9] Pese a esto, es fundamental enunciar que Colombia aun así no desarrolla ni cuenta con las suficientes investigaciones relacionadas con el tema. Debido a esta problemática en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por medio del semillero de investigación UDENS, se pretende iniciar un proceso de recolección de información referente a las características de bombeo en diferentes pozos del país. Surge la necesidad de crear un banco de información que contenga las características de bombeo en las diferentes zonas hidrológicas de Colombia.. 1.

(17) Por consiguiente, el presente proyecto tiene como objetivo general analizar pruebas de bombeo en pozos confinados en Jamundí, Valle del Cauca y como objetivos específicos, relacionar los resultados de las pruebas de bombeo con la geología regional y verificar las pruebas con los modelos de Theis y Jacob. La metodología utilizada en este proyecto se ha llevado a cabo por medio de trabajos de oficina con apoyo de herramientas ofimáticas. El presente documento está compuesto por diez capítulos principales. El primer capítulo consta de la introducción al proyecto el cual abarca los antecedentes, descripción del problema, la justicación, los objetivos, la metodología empleada y finalmente el resumen de los capítulos. En el segundo capítulo se describe la localización y descripción del área de estudio. El tercer capítulo describe toda la teoría empleada para el cálculo de las características de bombeo por el método de Jacob empleando la fórmula de Theis en los pozos confinados VJ-102, VJ-110, VJ-111 a profundidades que oscilan entre 130 y 170 metros. En el capítulo cuatro se describen las actividades desarrolladas por los investigadores. El quinto capítulo describe el diseño metodológico. El capítulo seis describe los cálculos y análisis de resultados. El capítulo siete describe las conclusiones, y finalmente se incluyen el capítulo ocho bibliografía, el nueve infografía y en el diez anexos.. 2.

(18) 2. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO. 2.1. UBICACIÓN GEOGRÁFICA. El área de estudio está localizada en el municipio de Jamundí, Departamento del Valle del Cauca. Este departamento se encuentra ubicado en la zona suroccidental de la Republica de Colombia, cuenta con zona costera sobre el Océano Pacifico y es atravesado por dos cordilleras (la central y la Occidental) las cuales delimitan una extensa planicie aluvial que es surcada por el segundo río más importante del País. [1] El Municipio de Jamundí, con un área de 577 Km2, está ubicado al sur del Departamento del Valle del Cauca, en la margen izquierda del río Cauca y entre la Cordillera Occidental y el Parque Nacional Natural Los Farallones. Limita oficialmente al norte con el Municipio de Santiago de Cali, al sur con el Departamento del Cauca (Municipios de Buenos aires y Santander de Quilichao), al oriente con el departamento del Cauca (Municipios de Puerto Tejada y Villarica) y al occidente con el Municipio de Buenaventura (Parque Nacional Natural Los Farallones). [1] El municipio de Jamundí tiene registrados en la C.V.C un total de 50 pozos, los correspondientes al presente estudio son los pozos VJ-102, VJ-110 y VJ-111 los cuales están en los predios Colapia, El Ocaso y La Batalla respectivamente. [1] 2.2. FUENTES HÍDRICAS SUPERFICIALES El principal cauce de esta zona es el Rio Cauca que recorre el Departamento de sur a norte y cuenta con importantes afluentes que drenan sus aguas a lado y lado del río. En la margen derecha sobresalen los ríos Desbaratado, Frayle, Bolo, Amaime, Guadalajara, Bugalagrande, Tuluá, Morales y La Vieja. Y en la margen izquierda se presentan los ríos Jamundí, Cali y Rio frío. Desde el sur del. 3.

(19) Departamento hasta el norte del mismo se presenta una variación altitudinal que va de 900 a 1000 msnm. [1] El Municipio de Jamundí, está conformado por los ecosistemas de selva andina, sub-andina y selva seca. Existen tres sistemas hidrográficos de importancia como son el río Jamundí, Claro y Timba los dos primeros nacen en el Parque Nacional Natural Farallones de Cali, y generan una red de tributarios importantes por su cobertura y significancia ambiental, este sistema hidrográfico tiene un total de 63.249 hectáreas, de las cuales un 32% corresponden a una zona plana, un 47% pertenecen a la cordillera y un 21 % corresponden al Parque Nacional Natural Farallones. [1] 2.3. CARACTERISTICAS CLIMÁTICAS El Municipio de Jamundí cuenta con un clima tropical. Presenta una gran cantidad de lluvias incluso en el mes más seco, su temperatura media anual es de 23.8 ° C y la precipitación es de 1706 mm al año. La menor cantidad de lluvia ocurre en julio con un promedio de 62 mm en este mes. La mayor cantidad de precipitación ocurre en abril, con un promedio de 224 mm. [1] Las temperaturas son más altas en promedio en marzo, alrededor de 24.4 ° C. Las temperaturas medias más bajas del año se producen en noviembre, cuando está alrededor de 23.3 ° C. La variación en la precipitación entre los meses más secos y más húmedos es 162 mm. La variación en las temperaturas durante todo el año es 1.1 ° C. [1] 2.4. GEOLOGÍA SUPERFICIAL El valle del Río Cauca se constituye en una gran unidad morfológica regional de planicie aluvial desarrollada por la dinámica del río Cauca durante el período cuaternario, delimitado por las cordilleras Occidental y Central. [1]. 4.

(20) Los diferentes tributarios que drenan al río en la margen derecha (en sentido surnorte), depositaron gran cantidad de sedimentos constituidos principalmente por rocas metamórficas, volcánicas e intrusivas. A su vez que los ríos de la margen izquierda al salir de la región montañosa y encontrar una disminución en la pendiente depositaron grandes cantidades de sedimentos de rocas volcánicas y diabasas. De esta manera se originaron los conos de deyección o abanicos aluviales que provienen de la erosión de ambas cordilleras y se ubican principalmente hacia las estribaciones de las mismas, ya en las proximidades a la llanura aluvial del río Cauca se encuentran sedimentos constituidos por depósitos del mismo río. [1] A lo largo del valle se encuentran afloramientos de diversos macizos rocosos conformados por diferentes tipos de rocas que constituyen controles litológicos y restringen la movilidad horizontal del cauce del río Cauca. A lo largo del río también se encuentra un estrato aparentemente resistente a la erosión, denominado usualmente caliche. Esta capa podría constituirse como un posible aislamiento de intercambio río-acuífero en algunos sectores del área de estudio. [1] 2.5. GEOLOGÍA DEL SUBSUELO En el Departamento del Valle del Cauca se presenta una gran densidad de pozos profundos explotados principalmente para uso agrícola y agroindustrial, con creciente tendencia a incrementar la demanda actual debido a la constante escasez de aguas superficiales así como de su creciente contaminación. [1] Los sedimentos del subsuelo en la zona plana del departamento del Valle del Cauca están constituidos por un importante relleno aluvial en un área de 3400 km, este depósito se encuentra dentro de la gran fosa del Cauca formada por movimientos tectónicos hace millones de años. [1] Con base en las perforaciones realizadas en la zona, y a los registros geo eléctricos, se ha podido concluir que la llanura aluvial del río Cauca presenta una 5.

(21) sola unidad acuífera con 2 niveles bien definidos, estos niveles se aprecian bien diferenciadas hacia el sur de la planicie; a 1 Km en la margen izquierda tomada desde el eje del Río Cauca y a 7 Km. en la margen derecha del mismo. [1] Esta diferenciación de niveles se pierde hacia el pie de monte de las cordilleras, es decir en los conos aluviales en donde se observa la unidad acuífera sin mayores interferencias; conformada por depósitos permeables con algunas intercalaciones de arcilla que no presentan gran variación respecto a la profundidad. [1] En el valle geográfico se han identificado tres unidades hidrogeológicas del techo a la base, se denomina A, B y C como se describe a continuación: Unidad A: Esta unidad está formada por una alternancia de capas permeables e impermeables.. Constituida. primordialmente. por. sedimentos. arcillolimosos. seguidos por lentes de arena y grava intercalados por lentes de arcilla de diferentes espesores. Los pozos que aprovechan esta unidad captan unos 30 a 40 m de acuíferos y el espesor promedio es de 120 m de profundidad con caudales de explotación que varían entre unos pocos litros hasta más de 100 LPS, principalmente los pozos ubicados en la margen derecha del río Cauca: ( Ver figura 1 ). Las reservas aprovechables son del orden de 3000 millones de metros cúbicos y más del 90% de los pozos construidos están aprovechando esta unidad, las capacidades específicas de estos acuíferos varían desde 1 lps/m hasta 13 lps/m. El agua de los acuíferos de esta unidad se clasifica como del tipo bicarbonatados cálcico-magnésica con dureza carbonatada a temporal, para abastecimiento público presenta en ciertas zonas algunas restricciones debido principalmente a las altas concentraciones de hierro y manganeso. [1] Unidad B: La unidad B está constituida principalmente por sedimentos impermeables de capas de arcillas y limos orgánicos e inorgánicos intercalados con delgados lentes de arenas y gravas esta no se considera como unidad acuífera o productora de agua tiene un espesor de 80 entre 100 m y se considera como la capa confinante del acuífero inferior. [1]. 6.

(22) Unidad C: Esta unidad está constituida por intercalaciones de gravas y arenas con arcillas y limos inorgánicos y orgánicos su techo se encuentra desde los 130 m de profundidad. Pero en general se encuentra por debajo de los 180 m de profundidad, su espesor total es desconocido pero se estima que alcanza profundidades mayores a los 700 m. Se desconoce sus parámetros hidráulicos, no obstante la información que se ha obtenido de algunos pozos perforados a 400 m de profundidad ha resultado muy promisoria; cuyas reservas se calculan aproximadamente 1000 millones de metros cúbicos y en capacidad de producir un caudal de 30 m/seg. La unidad C se caracteriza por presentar acuíferos de extensión regional de tipo confinado y de flujo surgente (en las zonas próximas al río Cauca) y con altos niveles dinámicos; las características físico-químicas y bacteriológicas son excelente para riego, uso industrial y principalmente para el abastecimiento público, hasta el punto de que se ha considerado unas de las alternativas más importantes para el abastecimiento de varias ciudades en el Departamento del Valle del Cauca. Estos acuíferos son del tipo confinados y semiconfinados, la calidad química del agua subterránea de estas formaciones se clasifican como bicarbonatadas, sódico-cálcicas y magnésicas. [1]. Figura 1. Corte esquemático geológico del Valle del rio Cauca. Fuente: Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca. [1]. 7.

(23) 3. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL Como citó Pérez F. en su publicación (La explotación del agua subterránea, 1995) al enfrentarse a problemas de hidrogeología se presenta constantemente la situación de obtener valores confiables y representativos de las características hidráulicas de los acuíferos. Los ensayos de bombeo son una solución eficaz a esta problemática. En este capítulo se aborda la teoría para entender de una manera global todos los aspectos concernientes al desarrollo de estos estudios. [8] 3.1. AGUAS SUBTERRÁNEAS El agua subterránea representa una fracción importante de la masa de agua presente en los continentes, y se aloja en los acuíferos bajo la superficie de la Tierra. El volumen del agua subterránea es mucho más importante que la masa de agua retenida en lagos o circulante, y aunque menor al de los mayores glaciares, las masas más extensas pueden alcanzar un millón o más de kilómetros cuadrados (como el Acuífero Guaraní). El agua del subsuelo es un recurso importante y de este se abastece a una tercera parte de la población mundial, pero de difícil gestión, por su sensibilidad a la contaminación y a la sobreexplotación. El agua subterránea es parte de la precipitación que se filtra a través del suelo hasta llegar al material rocoso que está saturado de agua. El agua subterránea se mueve lentamente hacia los niveles bajos, generalmente en ángulos inclinados (debido a la gravedad) y eventualmente llegan a los arroyos, los lagos y los océanos. [2] Es una creencia común que el agua subterránea llena cavidades y circula por galerías. Sin embargo, no siempre es así, pues puede encontrarse ocupando los intersticios (poros y grietas) del suelo, del sustrato rocoso o del sedimento sin consolidar, los cuales la contienen como una esponja. La única excepción significativa la ofrecen las rocas solubles, como las calizas y los yesos, susceptibles de sufrir el proceso llamado calcificación, en el que el agua excava. 8.

(24) simas, cavernas y otras vías de circulación, modelo que más se ajusta a la creencia popular. [2] La importancia que reviste el agua subterránea está en la necesidad de suministrar agua a las poblaciones que, o bien se encuentran lejos de cualquier otra fuente posible o carecen de fuentes superficiales perennes para su abastecimiento, o que teniendo posibilidad de una u otra se requiera estudiar la forma más económica de suministro tomando en cuenta factores diversos y analizando que ambas fuentes presentan problemas, desventajas y ventajas en su operación y mantenimiento; así mismo la necesidad de extender cada vez más las zonas para riego y suplir la deficiencia de agua derivada de la escases de lluvia o de su no conveniente distribución para los cultivos obliga a pensar en una adecuada e intensiva explotación del agua subterránea siéndolo imperioso en aquellas zonas carentes de aguas superficiales. [2] Aunque pueda establecerse que el agua subterránea en comparación con las aguas superficiales es más económica ya sea para abastecimiento público o para riego se considera que en cada caso deberá efectuarse esta comparación en cifras ya que para riego, por ejemplo puede presentarse un límite dependiendo de la producción por pozo o de hectáreas mínimas a regar por pozo; tratándose de suministro de agua para consumo humano es necesario considerar también el número de pozos requeridos que depende de la demanda y del rendimiento de las formaciones acuíferas, y otros factores que distinguen a las aguas subterráneas de las superficiales y que en forma general podrían citarse las siguientes: •. En la mayoría de los casos el agua subterránea es un agua no poluida y segura de polución.. •. La producción de los pozos dependerá de las condiciones hidrogeológicas de la zona.. •. El agua subterránea es un poco más dura y más mineralizada que el agua superficial de la misma localidad, pero su calidad es más uniforme durante el año. 9.

(25) •. No es necesario pensar en remoción de sedimentos cuando el suministro es por medio de aguas subterráneas.. •. Un sistema de suministro de agua por medio de pozos requiere necesariamente más dedicación y control por parte de la entidad usuaria del sistema como en el caso de una captación superficial por gravedad, por ejemplo. [2]. 3.2. PROPIEDADES DE LAS ROCAS El medio poroso que será considerado en básicamente un suelo compuesto de partículas sólidas, agua y aire, agrupadas en tal forma que dejan intersticios que varian de tamaño y forma, interconectados entre si formando una red bastante complicada de conductos por entre los cuales circula el agua. En algunas rocas estas interconexiones no existen y en otras son de tamaño cavernoso estando la naturaleza de estos intersticios determinada por el trabajo geológico a que ha sido sometida la roca; esto da como resultado la existencia de intersticios originales o primarios que son los que existen desde el comienzo de la roca y los secundarios que son el resultado de procesos que actuaron o actúan sobre la roca después de haberse formado. [3] Por ser la roca el elemento que almacena el agua subterránea y que actúa como transmisora de ella es conveniente definir algunas de sus propiedades: 3.2.1. Porosidad La porosidad es una medida del espacio intersticial de una roca y por consiguiente de la cantidad de fluido que el medio puede almacenar; se expresa como el volumen de vacío dividido por el volumen total ocupado por la roca. Tendremos entonces porosidad primaria y porosidad secundaria dependiendo si la roca es homogénea o heterogénea; una roca homogénea es en este sentido, aquella en la cual los intersticios o espacios vacíos están uniformemente distribuidos en toda la roca como por ejemplo en sedimentos no consolidados y en algunas rocas consolidadas como areniscas por ejemplo: en una roca heterogénea los espacios 10.

(26) vacíos son menos uniformes en tamaño y forma y se encuentran distribuidos irregularmente a través de la formación; por ejemplo las rocas compactas aunque no tienen porosidad irregular a través de la formación; por ejemplo las rocas compactas aunque no tienes porosidad irregular presentan diaclasas y fallas en las cuales se almacena y circula el agua subterránea; también se presenta el caso de porosidad secundaria en rocas calcáreas las cuales presentan canales cavernosos que ha sido formados por la acción continua del agua. La porosidad de una roca depende de varios factores entre los cuales se puede citar: [3] •. Forma y colocación de las partículas.. •. Granulometría.. •. Grado de compactación. Se debe tener presente además que el caso especial de granos redondos la porosidad dependerá de la colocación de estos granos y no de su tamaño; así para la disposición cubica la porosidad es del 47.6% para todos los tamaños de los granos y para la disposición rómbica, la cual es la colocación más compacta de esferas uniformes, se obtiene el 26% (ver figura 2); se puede decir entonces que dos muestras de arena, una fina y otra gruesa bastante uniforme, tendrán aproximadamente el mismo valor de porosidad, es decir, la misma capacidad de almacenar agua, pero es claro que los intersticios individuales de la arena fina serán más pequeños que los intersticios que dejan los granos de la arena gruesa (ver figura 3) lo cual tiene un efecto marcado sobre la capacidad que tiene una arena de dejar drenar el agua almacenada. [3]. Figura 2. Disposición cúbica y rómbica de partículas redondeadas. [3]. 11.

(27) Figura 3. Comparación de dos muestras de arena, una fina y otra gruesa, bastante uniforme. [3] La porosidad dependerá de las dimensiones relativas de los granos ya que entre menos uniforme sea una muestra habrá más partículas finas llenando los espacios vacíos dejados por los granos gruesos y por lo tanto disminuyendo la porosidad; indudablemente que el análisis granulométrico al permitir calcular el coeficiente de uniformidad de una muestra determinada permite así mismo establecer variaciones de porosidad aunque en forma cualitativa ya que el factor de disposición de los granos es muy difícil de avaluar. La precisión en la determinación de la porosidad depende de la forma como se tome la muestra resultando para las rocas consolidadas medidas más precisas. que en los. sedimentos no consolidados. Se puede considerar grande una porosidad mayor del 20%, mediana entre 5 y 20 % y pequeña menor del 5%. En la tabla 1 se presentan algunas rocas y las porosidades correspondientes con el fin de establecer órdenes de magnitud. [3]. Rocas Porosidad % Rocas Porosidad % Margas 47 – 50 Arena fina y media 30 – 40 Arcillas 44 – 50 Aluviones recientes 5 – 15 Gravas 25 – 40 Caliza 0.5 – 17 Arena y grava 20 – 35 Esquistos 1 – 10 Arena uniforme 35 – 40 Tabla 1. Porosidad de algunas rocas, valores que dependen del grado de compactación. [3] 12.

(28) De esta tabla podrá notarse la variación de la porosidad entre un 5 a un 40% y la gran porosidad total de las arcillas las cuales presentan el valor máximo del 50% en dicha tabla. Se debe tener presente que la porosidad es una medida de la cantidad de agua que un medio poroso puede almacenar pero que no representa el agua que puede extraerse de él como se verá más adelante. 3.2.2. Permeabilidad. Es la capacidad que tiene un medio poroso para transmitir el agua bajo la influencia de un gradiente de presión; así llamamos permeable a una capa que permite el paso del agua e impermeable al terreno que prácticamente no se deja atravesar por el agua; lógicamente este concepto está íntimamente relacionado con la porosidad definida anteriormente; una roca granítica, por ejemplo, puede ser considerada en un momento dado como permeable si presenta fisuras o grietas por donde el agua pueda circular. El valor de la permeabilidad depende entre otros de los siguientes factores: [3] •. Granulometría. En general puede decirse que una formación uniforme es más permeable que una no uniforme.. •. Porosidad. Aunque se han hecho varios estudios para determinar una relación entre la permeabilidad y las propiedades de un suelo, esto no está aún bien definido dada la gran dificultad que se encuentra al no poder considerar todos los factores que afectan el movimiento del agua en el suelo. La ecuación de Kozeny-Carman establece una relación entre permeabilidad y la porosidad así: =. 1. 1−. En donde: K: Permeabilidad intrínseca 13.

(29) d: Tamaño característico del grano p: Porosidad C1: Constante que depende de la forma y colocación de los granos •. Forma y tamaño de los granos. Allen Hazen, en sus experimentos con filtros de arena, indica que la permeabilidad varía con el cuadrado del tamaño efectivo.. •. Colocación y orientación de los granos. La colocación afecta la porosidad y por tanto la permeabilidad; la orientación de los granos es un factor que determina la diferencia de valores en permeabilidad en dos direcciones diferentes.. En la tabla 2 se presentan algunos valores aproximados de permeabilidad de algunas rocas. Tipo de Roca K (m/día) Arcilla 10 – 3 Arena 5 – 40 Grava 100 – 1000 Areniscas con fisuras 50 – y más Piedra Caliza 25 Mezcla de grava y arena con (%) de grava 40 – 50% 1K arena 60% 2K arena 70% 4K arena Tabla 2. Permeabilidad (K) de algunas rocas, los valores dependen del grado de compactación. [3] 3.3. PROPIEDADES DEL AGUA Entre las propiedades físicas del agua más importantes para este estudio hidráulico se encuentran la densidad y la viscosidad, las cuales están relacionadas con la temperatura como se muestra en la tabla 3.. 14.

(30) Temperatura T Densidad Viscosidad Cinemática °C Kg/mᶟ m²/seg. 5 999.992 1.54 x 10¯⁶ 10 999.727 1.31 x 10¯⁶ 15 999.126 1.14 x 10¯⁶ 20 998.230 1.01 x 10¯⁶ Tabla 3. Relación de la viscosidad y densidad con la temperatura. [3] 3.3.1. Densidad Se define como la relación que existe entre la masa y el volumen. Para determinar la densidad de un líquido podemos pesar una botella de volumen conocido, llenarla con líquido, pesarla de nuevo y determinar la densidad. La densidad de un cuerpo cualquiera es la misma en todos los sitios del universo. Durante el proceso de perforación es adecuado controlar la densidad del lodo de perforación lo cual se efectúa con la balanza de lodo de Baroid. [3] El valor de la densidad del lodo de perforación de pozos se suele mantener aproximadamente en 1200 kg/mᶟ. [3] 3.3.2. Viscosidad La viscosidad de un líquido es una medida de su resistencia interna para fluir. Así, entre más viscoso sea un líquido más lentamente fluirá (el aceite es más viscoso que el agua). Ya que la viscosidad es debida a la atracción intermolecular y que esta se reduce al aumentar la agitación térmica se deduce que el valor de la viscosidad depende de la temperatura como se puede ver en la tabla 3; se expresa en m²/seg. La viscosidades un factor importante de tener en cuenta en el lodo de perforación de pozos ya que los cambios de viscosidad en dicho lodo con la profundidad permiten determinar los acuíferos presentes. En la perforación la viscosidad se mide usualmente utilizando el embudo de Marsh, tomando el tiempo que se tarda con el embudo lleno en desocupar un volumen correspondiente a un cuarto de galón, se trabaja normalmente con una viscosidad de 35 a 40 segundos. [3]. 15.

(31) 3.4. ACUÍFERO Un acuífero es aquella masa de rocas permeables que permiten la circulación y el almacenamiento del agua subterránea por sus poros o grietas. Las rocas almacén pueden ser de materiales muy variados como gravas de río, limo, calizas muy agrietadas, areniscas porosas poco cementadas, arenas de playa, formaciones volcánicas, depósitos de dunas e incluso ciertos tipos de arcilla. El nivel superior del agua subterránea se denomina nivel freático, y en el caso de un acuífero libre, corresponde al nivel freático. [3] Según las presiones hidrostáticas los acuíferos se clasifican de la siguiente manera. [3] 3.4.1. Acuífero a tabla de agua, libre o inconfinado Es aquel que posee una superficie libre abierta a la atmosfera y denominada superficie freática a tabla de agua. Los cambios en la tabla de agua corresponden también a cambios del espesor de la zona saturada. Estos acuíferos se forman al caer el agua lluvia sobre un terreno sedimentario más o menos suelto y que descansan sobre una capa impermeable; al no poder el agua caer hacia abajo, por acción de la gravedad, se acumula y circula entonces en una dirección dada por la pendiente de la superficie freática. En la figura 4 se presenta el esquema general de un acuífero libre. [3]. Figura 4. Acuífero confinado o tabla de agua. [3] 16.

(32) 3.4.2. Acuíferos artesianos o confinados En estos acuíferos el agua se encuentra bajo presión y circula por una capa permeable la cual esta confinada entre capas impermeables. Supongamos el corte geológico de la figura 5; el agua al caer en el valle A se infiltra y circula en una dirección dada por las dos capas impermeables que confinan el acuífero con una velocidad determinada. Si se perfora un pozo en el punto B y lo llevamos hasta la capa permeable el agua del acuífero subirá en el pozo a una altura dada por el nivel del valle en donde aflora la capa permeable (vasos comunicantes) menos las perdidas ocurridas por fricción por la circulación de agua. [3] La superficie piezométrica de un acuífero confinado es entonces una superficie imaginaria que coincide con el nivel piezométrico del agua dentro del acuífero. [3]. Figura 5. Acuífero artesiano o confinado. [3] El área de recarga de este acuífero se encuentra en las zonas donde a su vez se convierte en un acuífero a tabla de agua. El acuífero confinado actúa como un conducto a presión llevando el agua desde la zona de recarga hasta la zona de descarga ya sea artificial o natural. Al perforar un pozo en un acuífero confinado podemos obtener un pozo saltante cuando el nivel piezométrico en el punto de la perforación está por encima del nivel del terreno como en el punto C de la figura 5. Las variaciones en el nivel piezométrico en este tipo de acuíferos afectan muy poco el almacenamiento existente a diferencia del acuífero a tabla de agua en. 17.

(33) donde el cambio de la superficie piezométrica o nivel freático produce un cambio en el almacenamiento existente. [3] 3.4.3. Acuíferos semiconfinados Son más frecuentes que los acuíferos confinados, capas confinantes son semipermeables, acuitardos. [3] 3.4.4. Acuíferos colgados Se producen ocasionalmente cuando, por efecto de una fuerte recarga, asciende el nivel freático quedando retenida una porción de agua por un nivel inferior impermeable. [3] 3.4.5. Acuíferos multicapas Son un caso particular (y frecuente) de acuíferos en los que se suceden niveles de distinta permeabilidad. [3] 3.5. PRODUCCIÓN ESPECÍFICA Y COEFICIENTE DE ALMACENAMIENTO Se ha mencionado que no toda el agua que se encuentra dentro de los intersticios de una roca saturada puede ser extraída por acción de la gravedad; sino que una parte es retenida debido a las fuerzas de atracción molecular, adhesión y cohesión; esta cantidad de agua retenida será mayor a medida que el área de contacto agua suelo, sea mayor es decir, a medida que la superficie especifica sea mayor; dado que la superficie especifica de un medio consistente de partículas redondas de diámetro d es C/d, se puede decir que la retención es mayor en rocas que tengan grano más fino; así por ejemplo las arcillas retendrán más agua que la arena. [3] 3.5.1. Producción específica La producción específica (porosidad efectiva) de una formación acuífera es una medida de su capacidad de producir agua y se expresa cuantitativamente como el. 18.

(34) volumen de agua que un volumen unitario de material dará en un acuífero a tabla de agua cuando se deja drenar libremente. Supongamos un volumen de material saturado cuya área es de 1m² que lo dejamos drenar por acción de la gravedad hasta cuando la superficie freática original baje un metro; la cantidad de agua que sale en esas condiciones es la producción específica, lógicamente la cantidad retenida es igual a la cantidad total de agua que se encontraba almacenada en los intersticios de la muestra. [3]. Figura 6. Esquema de producción especifica. [3] En la tabla 4 se presentan valores de la producción especifica de algunas rocas, pero este valor podrá ser calculado e la practica mediante ensayos de bombeo efectuado en el campo. Roca Sy (%) Arcilla 1 – 10 Arena 10 – 30 Grava 15 – 30 Arena y grava 15 – 25 Arenisca 5 – 15 Pizarra 0.5 – 5 Piedra caliza 0.5 – 5 Tabla 4. Producción específica (Sy) de algunas rocas. [3]. 19.

(35) 3.5.2. Coeficiente de almacenamiento Al producirse el descenso de la tabla de agua en una cantidad de 1m, se produce un asentamiento que disminuye la porosidad y por lo tanto una cantidad de agua adicional se obtiene por este efecto, pero es muy despreciable comparado con la que sale por efecto de drenaje gravitacional. [3] Por el contrario en un acuífero bajo condiciones artesianas este drenaje no existe puesto que la formación acuífera permanece saturada antes y después de producirse el descenso de su nivel piezométrico. [3] Así supongamos que tenemos un acuífero artesiano de área unitaria y cuyo nivel piezométrico es disminuido en una unidad desde A hasta B. [3] (ver figura 7).. Figura 7. Coeficiente de almacenamiento [3] Como puede observarse en la figura, no existe drenaje gravitacional pero sin embargo sale una determinada cantidad de agua que es debida a la disminución del volumen de los intersticios por la compactación del acuífero y por la expansión del agua. Esta cantidad de agua obtenida en esta forma es lo que denominamos el coeficiente de almacenamiento S. De acuerdo a lo que mencionamos anteriormente, este fenómeno de compresibilidad del acuífero y expansión del 20.

(36) agua también tiene lugar en acuíferos tabla de agua pero su efecto en cuanto a producción de agua es despreciable en relación al drenaje gravitacional. El efecto de la compactación del acuífero se traduce a hundimientos del suelo producidos por bombeos prolongados como se han observado en muchos ejemplos prácticos. [3] 3.6. SOLUCION TRANSIENTE DE THEIS La solución de Theis fue adoptada por Charles Vernon Theis que trabajaba para el Servicio Geológico de los Estados Unidos en 1935, quien la elaboró a partir de la similitud entre el flujo del agua y el flujo de calor, estudiando el flujo radial de calor en una placa. Las expresiones se muestran en las ecuaciones 2 y 3. [3] =. 2. =. 3. En donde: S: descenso (cambio en la presión hidráulica en un punto desde el comienzo de la prueba). u: parámetro adimensional. Q: tasa de bombeo del pozo (volumen por unidad de tiempo, por m³/s). T y S: Transmisividad y el almacenamiento del acuífero alrededor del pozo (m²/s y adimensional respectivamente). r: es la distancia al pozo de bombeo, donde se observa el descenso (en metros). t: tiempo que ha transcurrido desde que comenzó el bombeo (minutos o segundos). W(u): es la "Función de pozo" (llamada también la integral exponencial, E1, en literatura no relacionada a la hidrogeología). Típicamente esta ecuación se utiliza para encontrar los T y S promedio, cerca del pozo de bombeo, a partir de los datos de descenso recolectados durante la prueba 21.

(37) de bombeo. Esta es una forma simple de modelamiento inverso, ya que el resultado (s) es medido en el pozo, r, t, y Q son observados, y los valores de T y S que mejor reproduzcan los datos observados son puestos en la ecuación hasta que el mejor ajuste entre los datos observados y la solución analítica sea encontrado. Si ninguna de las restricciones adicionales que la solución de Theis requiere (además de las que requiere la ecuación de flujo subterráneo) son infringidas, la solución debiera ser muy buena. [3] Las asunciones que requiere la solución de Theis son las siguientes: •. Acuífero homogéneo, isotrópico y confinado.. •. Pozo completamente penetrante (abierto al espesor (b) completo del acuífero).. •. El pozo tiene un radio "cero" (se aproxima a una línea vertical) de esta forma no ocurre almacenamiento de agua en el pozo y el bombeo es 100% eficiente.. •. El pozo tiene una tasa de bombeo constante Q.. •. El acuífero es infinito radialmente.. •. Los límites superior e inferior del acuífero son impermeables (no filtrante), planos y horizontales.. •. El flujo de agua es horizontal.. •. No hay otros pozos o cambios de largo plazo en los niveles de agua regionales (es decir, todos los cambios de la superficie potenciométrica se debe al bombeo del pozo).. A pesar de que estas asunciones son raramente cumplidas a cabalidad, dependiendo del grado de similitud a las condiciones ideales, la solución puede seguir siendo útil. [3] 22.

(38) 3.7. GRADIENTE HIDRÁULICO En la figura siguiente se indica que el potencial (h) de agua en un cierto punto es la suma de la carga hidráulica (P/γ) y de la altura de elevación (z). La energía en el punto A es la resultante de esas dos fuerzas, ya que la energía ligada a la velocidad del agua (cinética) puede despreciarse. En cualquier otro punto de la vertical de A varían z y P/γ pero la suma (h) permanece constante. Esa línea vertical se denomina, por tanto, línea equipotencial. [3]. Figura 8. Línea equipotencial donde el potencial de agua es constante. Fuente: Hidraúlica de pozos, curso internacional de aguas subterráneas. Bogotá. Universidad Nacional. 1985. [3] Si consideramos ahora dos puntos en un cierto acuífero:. Figura 9. Flujo de agua entre líneas equipotenciales. [3] El flujo del agua se dirige de la línea equipotencial 1 a la línea equipotencial 2 y perpendicularmente a las mismas. El gradiente hidráulico está definido por: i = dh/L que viene a significar la pendiente de la superficie piezométrica entre los. 23.

(39) puntos 1 y 2. En muchos casos, las líneas equipotenciales no son verticales, es decir, que el flujo no es horizontal. [3] 3.8. TRANSMISIVIDAD =. 4. Si la sección tiene una longitud L y una potencia H igual a la del acuífero: =. 5. =. 6. La transmisividad es T = k H La ley de Darcy se suele expresar como Q = T i L La transmisividad tiene dimensiones L ∗ T & y unidades de m2 /día. Tabla 5. Transmisividad. [4]. 3.8.1. Hidráulica de pozos Cronológicamente, la hidráulica de pozos es uno de los temas más antiguos de la hidráulica subterránea, ya que los trabajos de Dupuit fueron publicados en 1863, solamente 7 años después de la famosa memoria de Darcy. Sin embargo los problemas que presentan las captaciones son más difíciles de lo que podría creerse a primera vista e importantes contribuciones a la teoría se han desarrollado recientemente. [4] 24.

(40) 3.8.2. Tipos de captaciones Las captaciones de agua subterránea son todas aquellas instalaciones que permitan poner a disposición del usuario el agua contenida en los acuíferos. Los diferentes tipos de captaciones pueden clasificarse así: a) Pozos. Perforación vertical, generalmente en forma cilíndrica y de diámetro mucho menor que la profundidad. El agua penetra a lo largo de las paredes creando un flujo de tipo radial. Serán el objeto de estudio de este capítulo. [4] b) Drenes y galerías. Perforaciones o instalaciones horizontales de sección más o menos circular, con una longitud mayor que el diámetro. Se crea a lo largo un flujo paralelo y horizontal. [4] c) Zanjas.. Excavaciones rectilíneas en trinchera, generalmente de poca. profundidad, poco usadas como captaciones y con funcionamiento similar a los drenes y galerías. [4] d) Pozos de drenes radiales. Consisten en pozos revestidos de los que salen drenes horizontales en varias direcciones. El conjunto actúa como un pozo de gran diámetro. [4] Los pozos son el tipo de captación más utilizado. Cuando se perfora un pozo este puede atravesar todo el espesor del acuífero y en ese caso se dice que es un pozo completo. Cuando la zona filtrante del pozo sólo alcanza una parte de ese espesor se denomina pozo incompleto. [4] Los pozos más eficientes son los completos y siempre, para efectos del estudio de este capítulo, se supondrá que se trata de uno de este tipo. [4]. 25.

(41) 3.8.3. Principales conceptos básicos. a) Flujo hacia el pozo. Al perforar un pozo el nivel del agua dentro de él coincidirá con el nivel de la superficie freática, si se trata de un pozo en acuífero libre, o con el nivel de la superficie piezométrica si el acuífero es cautivo. [4] (ver figura 10).. Figura 10. Nivel del agua en pozos en acuífero libre y en acuífero confinado. [4] Cuando se inicia un bombeo en el pozo, el efecto inicial es el de producir un descenso en el nivel del agua en él, ocasionándose de esta manera un gradiente hidráulico entre dicho nivel en el pozo y los puntos adyacentes del mismo acuífero. La aparición de este gradiente hace que el agua fluya hacia la captación. Si el pozo es de forma cilíndrica, como la superficie de filtración del agua es toda la superficie lateral del mismo, el flujo del agua se produce desde todos los puntos del acuífero y en dirección del centro del pozo, estableciéndose de esta forma lo que denominamos flujo radial. [4] (ver figura 11).. 26.

(42) Figura 11. Flujo radial hacia un pozo. [4] En otras palabras, las líneas de flujo están orientadas hacia el centro del pozo. Si esto es así, entonces las isopiezas serán curvas concéntricas al pozo. [4] b) Abatimiento (s). Si el bombeo se continúa después de un determinado tiempo (t) se observa que el nivel del agua en el pozo empieza a descender, lo mismo que los niveles piezométricos en las inmediaciones del pozo.. La superficie. piezométrica toma la forma de un cono invertido cuyo eje de simetría es el eje del pozo y que se denomina cono de depresión. Las curvas de intersección de dicho cono con planos horizontales son curvas isopiezas y la curva de intersección con un plano vertical que pase por el centro del pozo se llama curva de abatimiento. [4] (Ver figura 12).. Figura 12. Parámetros característicos de un pozo. [4] 27.

(43) Al nivel piezométrico se le denomina también nivel estático y a la curva de abatimiento, nivel dinámico. Los factores que determinan dicho abatimiento son el tiempo de bombeo, el caudal de bombeo, las características hidrogeológicas del acuífero y la distancia al eje del pozo. [4] c) Radio de acción de un pozo (R). Ya se ha anotado que al principio del bombeo el nivel del agua en el pozo empieza a descender debido a que el agua que se extrae es proveniente del almacenamiento del acuífero en las zonas cercanas al pozo. Mientras el nivel del pozo está descendiendo se dice que el pozo está trabajando en régimen no permanente o transitorio.. El descenso puede. suspenderse a causa, por ejemplo, de una recarga exterior (río, lluvia o masa de agua almacenada), caso en el cual se establece un régimen permanente cuya característica es la de que el caudal aportado por la fuente de recarga es igual al caudal bombeado. También puede suceder que el nivel no se estabilice como en acuíferos completamente cautivos o en acuíferos libres sin recarga exterior y en este caso el régimen será siempre transitorio. [4] Pero en la práctica, sucede muy a menudo que para acuíferos de gran extensión, y debido a que la velocidad de descenso del agua en el pozo disminuye poco a poco a causa de la mayor superficie del cono de depresión, llega un momento en el cual la velocidad de descenso del nivel en el pozo es tan lenta, que se puede considerar prácticamente constante.. En este caso se puede decir que se ha. establecido un régimen casi permanente. La distancia entre el eje del pozo y el punto en el cual los abatimientos son cero o cercanos a cero se llama radio de influencia del pozo (R). [4] d) Eficiencia de un pozo. Se denomina eficiencia de un pozo la relación entre el descenso teórico y el descenso real medido en el pozo. e) Capacidad específica. La capacidad específica o caudal específico de un pozo se define como la relación entre el caudal bombeado (Q) y el abatimiento en el pozo (Sp).. 28.

(44) '=. 7. (. Sus unidades son por lo tanto m3/día/m ó lt/s/m. El caudal específico varía con el abatimiento, pero tiende a estabilizarse a medida que este lo hace. Pueden construirse curvas que relacionan el caudal bombeado con el abatimiento y el caudal específico con el mismo abatimiento. Dichas curvas son denominadas curvas características del pozo. [4] Tanto el caudal específico como las curvas características dan una idea del rendimiento o eficiencia de un pozo. [4] Efectos de la anisotropía y heterogeneidad de los acuíferos reales. Si el flujo es perfectamente horizontal (caso de un pozo completo o de una zanja totalmente penetrante en un acuífero cautivo) la anisotropía por estratificación no tiene importancia, pero cuando la velocidad del agua tiene una componente vertical, como sucede en las proximidades de pozos o zanjas incompletas o en el caso de acuíferos libres, el efecto de la anisotropía aparece haciendo disminuir o aumentar esa componente vertical. Para obtener el mismo caudal se precisan descensos mayores o bien con el mismo descenso se obtienen caudales menores. [4] Así, un pozo incompleto en un acuífero con una permeabilidad vertical mucho menor que la horizontal, se comporta como si estuviera en un acuífero cuya transmisividad fuera la que correspondiera a la porción de acuífero enfrentado con la zona filtrante: * = + ,- .,/ , * = 0 Donde: λ:longitud de la zona filtrante. b: espesor del acuífero.. 29. 8.

(45) Un caso especial de heterogeneidad y anisotropía es el de las rocas permeables por fisuración. Si la fisuración es densa, vertical y orientada al azar, el material se comporta como un medio aproximadamente homogéneo e isotrópico. Sin embargo es muy frecuente que las fisuras tengan orientaciones preferentes o que la fisuración sea poco densa o que las grietas no sean verticales, en cuyos casos o combinación de ellos, el medio se comportará como anisótropo y/o heterogéneo. [4] 3.9. POZOS EN RÉGIMEN PERMANENTE Un flujo permanente, en un dominio determinado, resulta cuando en todos los elementos del dominio las entradas son iguales a las salidas.. En un sentido. estricto, el régimen permanente rara vez ocurre en el campo.. Sin embargo,. considerando este tipo de régimen, es posible muchas veces obtener una gran cantidad de información útil para el tratamiento de problemas de tipo práctico. En todos los casos, todos los análisis de flujo son aproximados, sean ellos basados en desarrollos analíticos, sofisticados modelos de simulación o informaciones de campo o de laboratorio, debido a las limitaciones que se tienen respecto a la determinación de parámetros geológicos e hidrogeológicos. La aplicación práctica del análisis de flujo permanente en el campo depende de las herramientas matemáticas y de la interpretación física de los problemas que tenga el hidrogeólogo. [4] Cuando se estudia la hidráulica de un pozo se trata de establecer la relación existente entre las características geométricas del cono de depresión (Radio de influencia, abatimiento y perfil de curva de abatimiento) el caudal bombeado (Q) y el tiempo de bombeo (t). [4] Existen tres factores principales que afectan el cono de depresión: •. El tiempo de bombeo: a medida que aumenta el abatimiento (s), se ha probado que: s =f(log t).. 30.

(46) •. La transmisividad (T), coeficiente de almacenamiento (S), y la porosidad eficaz, que son factores ligados a las características del medio.. •. El régimen de flujo.. En este apartado se estudiará el caso del flujo permanente para distintos tipos de acuíferos: acuífero confinado, acuífero libre y acuífero semi-confinado.. Se. supondrán, salvo que se indique lo contrario, las siguientes hipótesis de base: •. El acuífero es homogéneo e isotrópico y el agua tiene densidad y viscosidad constantes.. •. El espesor del acuífero es constante y la base es horizontal.. •. El flujo es radial y horizontal.. •. Es válida la ley de Darcy.. •. El coeficiente de almacenamiento, S, es constante en el espacio y en el tiempo.. •. El agua liberada del almacenamiento aparece simultáneamente y proporcionalmente a la disminución del nivel piezométrico.. •. Si no se indica lo contrario, se supondrá que el acuífero es de extensión infinita.. •. El pozo es completo.. •. El caudal de bombeo.. Estas hipótesis son bastante restrictivas pero en la práctica son admisibles pequeñas desviaciones, que no invalidan las formulaciones a las que se llegue. [4]. 31.