Agua y el entorno subterráneo

HIDROLOGÍA DEL AGUA SUBTERRÁNEA

Involucra el estudio del subsuelo y del conocimiento científico general del movimiento del agua, así como, también, del aire, contaminantes y líquidos no acuosos existentes en él.

AGUA SUBTERRÁNEA Y EL SUBSUELO

De modo a extraer agua para el consumo humano, ésta debe fluir a un pozo de extracción a un flujo relativamente alto, así el volumen producido satisface una demanda específica. Las formaciones geológicas que proveen agua en estas cantidades se denominan acuíferos. La habilidad de transmitir agua en grandes cantidades requiere una resistencia al flujo relativamente baja, o una alta permeabilidad al flujo. Otras formaciones geológicas menos importantes que también necesitan ser analizadas son los acuitardos, que transmiten agua en cantidades pequeñas, por lo que no pueden ser usadas como pozos de captación de agua subterránea, y los acuicludos, que poseen agua en su interior, pero sin flujo.

Varias formaciones geológicas se encuentran en una estratificación vertical, con algunas de las capas siendo acuitardos y otras acuicludos. Si el acuífero se encuentra rodeado de acuitardos, se lo llama acuífero permeable (leaky), si lo rodean de acuicludos se llama acuífero confinado. En cambio, si están rodeados de formaciones que tienen como frontera superior al suelo superficial se llama acuífero no confinado o napa freática. Algunas veces un acuífero confinado contiene agua a una presión suficientemente elevada tal que cuando se perfora un pozo la presión empuja el agua hasta la superficie, en este caso se llama pozo artesiano.

SUELO

Es un ensamblaje de partículas que contiene una mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos capaces de permitir el crecimiento de plantas. Generalmente, la primera etapa en la formación del suelo es la acumulación de fragmentos de roca no consolidada. Alternativamente, el suelo se puede formar a través de procesos químicos y físicos de desgaste de rocas. Una vez que la formación del suelo empieza, forma capas mediante un proceso llamado diferenciación de horizonte. La transformación de la materia orgánica contenida en el suelo, la deposición o solubilidad de minerales solubles, la formación de nuevos compuestos tales como minerales arcillosos, competen en la definición final los horizontes del suelo y sus composiciones. En hidrología subterránea, nos interesa no solo el suelo que se encuentra en la superficie sino también aquellos que se encuentran cerca de ella.

Empaque y estructura del medio poroso

El almacenamiento y el desplazamiento de fluidos, en particular, agua y aire, son afectados principalmente, pero no exclusivamente, por las propiedades físicas de los poros del suelo. Lógicamente, los espacios vacíos interconectados no tienen las mismas propiedades desde el punto de vista del flujo de fluidos, transporte de masa o de energía. Algunos pasajes son relativamente rectos y otros sinusoidales. El tamaño y la forma del poro puede variar en términos de geometría espacial y su sección transversal. La geometría del poro es influenciada por la disposición de los granos. Además, el empaque de los granos, en un medio poroso, como el suelo, impacta significativamente en el porcentaje de espacios vacíos en el mismo. Vamos a definir la medición del volumen del espacio del poro como el volumen de huecos V_{nu} . La relación entre el volumen de huecos y el volumen total se llama porosidad (\phi o \varepsilon).

\varepsilon = \frac{V_{nu}}{V}.

Como la resistencia al flujo está gobernada generalmente por las gargantas del poro en el material, ya que estos son las zonas más estrechas de los pasadizos, se busca una manera de medirlos. Debido a la dificultad asociada a la medición del tamaño del poro y su geometría, se utiliza la medición de la distribución de los granos incluyendo la forma y el arreglo empacado siendo estos indicadores de las propiedades del medio poroso.

Porosidad

1) Porosidad primaria: \varepsilon, definida anteriormente. Cuando el suelo es no consolidado, es decir, no fue sometido a algún tipo de compresión o deformación y los granos individuales mantienen su identidad, el espacio del poro se llama porosidad primaria. En esencia, es la porosidad formada por medios naturales ya sea después de esfuerzos tectónicos que afectan la forma del poro. El término medio poroso hace referencia a materiales que exhiben porosidad primaria.

2) Porosidad secundaria: Es la porosidad atribuida a procesos geológicos que ocurren después de la formación de capas de sedimento. Planos de dislocación o fracturas son una forma de ellas, que pueden ser llenados con sedimentos permeables o no actuando como barreras locales o pasadizos por donde fluye el agua.

En la ingeniería de mecánica del suelo el parámetro de porosidad es expresada en el contexto de relación de vacío

e = \frac{V_{nu}}{V_s},

donde V_{nu} es el volumen del espacio vacío y V_s es el volumen del grano. Se utiliza este ya que el volumen total V usado en la definición de porosidad cambia si el suelo se compacta o es consolidado, por lo tanto les ventajoso medir e donde la relación entre e y \varepsilon es:

\varepsilon = \frac{e}{1+e}.

 Flujo Multifásico

El medio poroso normalmente está formado por partículas sólidas y múltiples fluidos, al hablar de dos fases, estas suelen ser aire y agua. Cada fase queda separada de la otra y de los granos mediante una interfase. La zona en donde existe flujo bifásico se llama zona vadosa (zona no saturada), esta empieza debajo mismo de la superficie y continua hasta la zona saturada donde los espacios vacíos ya están completamente llenos de agua. La saturación del suelo se mide en función a la cantidad de agua relativa al aire. El contenido de agua gravimétrica \phi_g (\%), está definida como:

\phi_g (\%) = \frac{W_w}{W_s} \cdot 100,

donde W_w es el peso del agua y W_s es el peso de los granos de suelo, medido después de haber secado la materia de suelo en el horno. El contenido volumétrico de agua, \phi_v, por otro lado, se define como:

\phi_v = \frac{V_w}{V}.

El grado de saturación de agua del suelo, S_w (\%), es definido como:

S_w (\%) = \frac{V_w}{V_v} \cdot 100,

donde V_w es el volumen de agua en el suelo y V_v el volumen de vacio. La saturación de aire, S_a(\%), esta dada por:

S_a (\%) = \frac{V_a}{V_v} \cdot 100,

y la saturación total S_w + S_a = 1.

El grado de saturación, que denominaremos saturación, S_w, expresada en ratio en vez de porcentaje, se relaciona con el contenido volumétrico de agua conforme a la siguiente relación:

\phi_v = \frac{V_w}{V_v} \cdot \frac{V_v}{V} = S_w \cdot \varepsilon

Conectividad y Tortuosidad

La geometría del poro juega un papel importante en el flujo y transporte subsuperficial. La habilidad del fluido de fluir en el suelo no depende solo de la existencia de poros sino también de su conectividad.

Para que sea de interés desde el punto de vista del flujo y del transporte, los espacios vacios en un medio poroso deben estar interconectados. Deben formar canales a través de los cuales el agua fluirá. Los poros aislados son de interés, peros solo hasta el grado en que se encuentran hidrodinámicamente conectados a otros poros interconectados donde el fluido puede fluir.

La Tortuosidad denota la distancia que una partícula debe recorrer en un medio poroso entre dos puntos relativa a la distancia en línea recta entre ellos. El fenómeno de tortuosidad es importante en términos del entendimiento de la física de flujo a través de medios porosos, especialmente en lo pertinente al transporte de soluto.

Agua del Suelo

El agua que existe bajo el suelo se clasifica en móvil, adsorbida, capilar y pendular.

El agua móvil es aquella que se mueve libremente a través de los poros del suelo primordialmente bajo la influencia del efecto hidrodinámico y no debido a las fuerzas químicas. En general, este tipo de agua es de interés profesional para los que estudian flujos subterráneos.

El agua adsorbida en contraste exhibe un comportamiento gobernado por leyes de atracción asociado con la estructura bipolar de las moléculas de agua y la superficie del mineral en contacto con esta. Agua bajo estas condiciones está caracterizada por propiedades físicas muy distintas de aquella en la primera clase.

Agua de capilaridad exhibe propiedades físicas dictaminadas por el hecho que existe una franja capilar que separa la zona no saturada de la saturada en donde el agua está sometida a una presión negativa o succión y esta puede subir a la superficie por el fenómeno de la capilaridad.

Agua pendular es esencialmente inmóvil y se encuentra como agua residual alrededor de los granos y está en contacto con otros por una fina capa de agua. Esta aislado desde el punto de vista hidrodinámico, por lo tanto, es este estado el agua no tiene la capacidad de transmitir presión de un punto a otro y se lo denomina “hidrodinámicamente desconectado”. Agua que existe en espacios vacíos no interconectados del medio poroso también es inmóvil.

El perfil del suelo exhibe varias capas, debajo de la superficie existe la zona vadosa o zona no saturada en donde la presión es negativa respecto a la atmosférica y la saturación es menor al 100%, va aumentando la saturación y disminuyendo la presión a medida que aumenta la profundidad. La siguiente zona de interés es la napa freática en donde la saturación es del 100% y la presión es 0 (la presión manométrica del agua se iguala a la atmosférica), por arriba de esta zona se encuentra la franja capilar que mantiene las propiedades de la mencionada anteriormente. Por último, debajo de la napa freática se encuentra la zona saturada en donde se mantiene una saturación del 100% pero la presión es mayor a 0 y va aumentando a medida que aumenta la profundidad.

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