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La ecuación general del flujo de agua subterránea se deriva de un balance de masas junto con la aplicación de la Ley de Darcy, conociendo que los gradientes piezométricos son el motor del desplazamiento del agua en el terreno.
Para ello se considera un volumen de control definido en un sistema de coordenadas rectangulares X, Y, Z, determinando qué cantidad de agua entra, qué cantidad sale y como varía el almacenamiento.
Así pues, la expresión cuantitativa que permite relacionar y cuantificar los flujos de agua subterránea con la piezometría y las características del terreno, en ausencia de recargas exteriores, viene definida por:
ECUACION GENERAL DEL FLUJO DE AGUA
SUBTERRANEA
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En estado estacionario (régimen permanente) la ecuación general del flujo de agua subterránea queda como:
Si se supone flujo horizontal, sin componente vertical z, se tiene que:
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Si además K es isótropa (Kx = Ky = K) y el espesor del acuífero también, siendo T = K·b y S = Ss·b, se tiene que:
Si existen recargas externas (verticales, lluvias, etc.) se añade un término fuente F, quedando la ecuación en su forma simplificada como sigue:
El primer término representa la suma de entradas y salidas en el volumen elemental de control por razones de diferencia de potencial entre el mismo y las zonas inmediatas; el segundo término representa las recargas de agua exteriores al sistema y, el tercero, representa la variación de almacenamiento de agua en ese volumen elemental de control.
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Se define un medio no saturado aquel en el cual no todos los poros están totalmente llenos de agua. En un acuífero, la zona no saturada (ZNS) se extiende desde la superficie del terreno hasta la profundidad del nivel freático, a partir del cual el terreno está saturado y todos los poros están llenos de agua. Esto incluye el suelo edáfico y la litología infrayacente.
ECUACION DEL FLUJO DE AGUA
SUBTERRANEA EN MEDIO NO SATURADO:
ECUACION DE RICHARDS
En la ZNS coexisten tres fases: agua, aire y sólido.
Elevación Z Suelo seco en superficie(saturación irreducible) Superficie del suelo después de una lluviaSuelo humidificado transitórioEstado (infiltración agua gravifica)
Perfil en equilibrio(estático)
(saturación 100%)Franja capilar 100% Saturación
Superficie piezométricaobservada en un pozo 0 Presión o de entrada de airePresión umbral
Presión negativa(succión)
Zona conA variaciónpoca de contenidoen agua B
Linea de equilibrio de presión
0
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La ecuación que gobierna el flujo no saturado viene definida por la ecuación de Richards, que en función del contenido en agua queda:
En función de la carga hidráulica queda:
k “θ” “z” “h”
Conductividad hidráulica no saturada (función del contenido de humedad) en unidades homogéneas. Contenido en humedad. Cota del punto en unidades homogéneas. Succión o presión capilar en unidades homogéneas de longitud.
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COMPORTAMIENTO HIDRAULICO
DEL MACIZO ROCOSO
El macizo rocoso , medio soporte de la mayor parte de la actividad minera y, entendido como roca consolidada (no se va a tratar ni de suelos ni deformaciones detríticas típicamente porosas), resulta de gran interés dado que puede combinar tanto porosidad como fisuración por la que conducir el agua. El estudio del agua en el macizo ha tenido una atención especial desde el punto de vista de la mecánica de rocas y de la ingeniería geológica, así como de la minería, dado que muchos yacimientos se encuentran por debajo del nivel piezométrico o con influencia directa de él, considerando un problema a resolver.
Así pues, el comportamiento hidráulico de los diferentes tipos de rocas consolidadas es muy variable y, generalmente, dependiente de los esfuerzos tectónicos, así como de la meteorización.
CONSIDERACIONES GENERALES Y TENDENCIAS ACTUALES EN LA
CARCATERIZACION HIDRAULICA DEL MACIZO ROCOSO
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Los principales métodos utilizados para la caracterización hidrogeológica de un macizo son: Recopilación previa de información : territorial, ambiental y técnica.
Métodos geológicos : Cartografía geológica, fotogeología, geomorfología, estratigrafía, petrología, geología estructural, tectónica, etc.
Métodos geofísicos : De superficie (métodos sísmicos, eléctricos, magnéticos, gravimétricos), en el interior de sondeos (testificación geofísica, sísmica en sondeos, tomografía sísmica, etc.).
Métodos de hidrología superficial y estudios climatológicos : Análisis de precipitaciones y cuencas, recarga y balance hídrico.
Métodos hidrogeológicos : Piezometría, ensayos de bombeo, ensayos de inyección con agua (Lugeon, de pulso, etc.) o trazadores, sistemas de flujo, zonas de recarga y descarga.
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Los principales métodos utilizados para la caracterización hidrogeológica de un macizo son:
Métodos hidroquímicos : Calidad del agua subterránea, contaminación y vulnerabilidad.
Técnicas especiales : Radioisótopos, isótopos ambientales y teledetección.
Aplicación de modelos matemáticos de simulación para flujo y/o transporte.
Integración en bases de datos y soporte SIG.
Portal WEB-Internet : Salvo información clasificada, es conveniente que toda la información generada se recopile en los informes y estudios pertinentes y, además, pueda ser de consulta pública.
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En el suelo y subsuelo existen varias zonas donde el movimiento del agua tiene características propias y se rige por leyes particulares. En general se distinguen cuatro zonas: suelo o zona edáfica, zona no saturada, franja capilar y zona saturada.
Fuente: IGME (2001)
COMPORTAMIENTO HIDRAULICO DE LOS
ACUIFEROS
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Ya en la zona saturada, se pueden dar los siguientes tipos de
acuíferos principales en función de su comportamiento hidráulico
(circunstancias hidráulicas + estructura)
Fuente: Figuras extraídas de GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. (2002)
NP acuífero confinado NP acuífero libre
Acuíf ero libre Acuita rdo
Acuífero confinado Imperme able
semiconfin ado acuífe ro Imperme able
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POSIBLES ENTRADAS DE AGUA EN LOS ACCESOS MINEROS
Las principales vías de entrada de agua a las labores mineras pueden ser debidas o estar influenciadas por: La litología atravesada, en función de su porosidad y permeabilidad, especialmente si está por debajo del nivel piezométrico. Infiltración de aguas de escorrentía superficial (o incidencia directa). Infiltración de aguas hipodérmicas a través de zonas meteorizadas de la roca. Filtraciones o aportes entre niveles de estratificación. Presencia de fracturas y/o discontinuidades abiertas, principalmente subverticales. Presencia de cavidades o conductos kársticos, volcánicos y/o por disolución de evaporitas. Influencia de antiguas labores mineras. Influencia de antiguos (u otros usos) del territorio.
EFECTOS DEL AGUA SOBRE EL
COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO
EN LAS LABORES MINERAS
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INCIDENCIA DEL AGUA SOBRE
EL MACIZO ROCOSO
Las principales incidencias que provoca el agua a las labores mineras
son:
Los accesos son el primer punto de contacto con el acuífero.
El frente (o los diferentes frentes) de avance es otro punto de
afección directa.
Necesidad de drenaje continuo (o impermeabilización, en su caso)
para evitar la inundación de la zona de labores y/o de la mina.
El agua drenada suele ser de mala calidad (especialmente en
minería metálica y de evaporitas). No son infrecuentes acuíferos
interceptados con aguas subterráneas de buena calidad.
Afección directa a la piezometría local y a la disponibilidad de agua
subterránea en el entorno.
La mina actúa como sumidero de aguas , especialmente si la
porosidad, permeabilidad, discontinuidades y meteorización del
macizo rocoso lo permiten.
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EXPLOTACIONES MINERAS A CIELO ABIERTO
Erosión : Taludes de excavación y corta, pistas de acceso, zanjas de drenaje y arrastre de material erosionado. Formación de depósitos de acumulación (conos o apilamientos caóticos) de materiales erosionados en zonas no previstas o no deseadas, lo que conlleva aumentos de costes por retirada y limpieza. Incremento de la presión hidráulica en fracturas como consecuencia de la variación tensional del macizo rocoso en función de la carga hidráulica. Reblandecimiento de pistas y formación de zonas heladas en climas fríos o en época invernal. Reducción de los rendimientos de las unidades de carga y transporte debido a la circulación por pisos embarrados y/o con presencia de baches. Incrementos de costes de mantenimiento por aumento del porcentaje de averías mecánicas como consecuencia de la acción abrasiva del barro, corrosión de la humedad e influencia de ésta sobre los sistemas eléctricos.
AGUAS SUPERFICIALES
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Aumento de costes por drenaje. Necesidad de construcción de plantas de tratamiento de agua. Implementación de medidas correctoras de la contaminación de las aguas. Canon de vertido.
AGUAS SUBSUPERFICIALES
Reducción de la resistencia del suelo y de la roca. Reducción de la estabilidad de los taludes , requiriéndose ir a taludes tendidos. Deformación de los taludes y fondos de corta. Filtraciones en talud : riesgo asociado de erosión y congelación. Incremento de los costes de voladura al necesitarse explosivos resistentes al agua. Aumento del peso específico del material por saturación en agua. Aumento de los costes por drenaje. Necesidad de construcción de plantas de tratamiento de agua. Implementación de medidas correctoras de la contaminación de las aguas. Canon de vertido.
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Aumento de la migración y contaminación por materiales
finos.
Aumento de la contaminación por metales y/o elementos
tóxicos movilizados.
Aguas ácidas o caústicas.
Lavado de rellenos arcillosos de discontinuidades y fracturas.
Incremento de los costes de voladura al necesitarse explosivos
resistentes al agua.
Aumento del peso específico del material por saturación en
agua.
Posible aumento de la siniestralidad laboral.
Aumento de los costes por drenaje.
Necesidad de construcción de plantas de tratamiento de
aguas.
Implementación de medidas correctoras de la contaminación
de las aguas.
Canon de vertido.
EXPLOTACIONES MINERAS
SUBTERRANEAS O DE INTERIOR
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EXPLOTACIONES MINERAS
SUBTERRANEAS O DE INTERIOR
Inundaciones repentinas, a veces de grandes dimensiones, que requieren de muchos recursos para su neutralización. Producción de daños : humanos y materiales, que requieren de costosos equipos de control y evacuación. Reducción de la vida útil de los sostenimientos , lo que implica también la reducción de la vida útil de túneles y obras subterráneas. Reducción de los rendimientos de las unidades de carga y transporte debido a la circulación por pisos embarrados y/o con presencia de baches. Incremento de la corrosión de sistemas. Reducción de productividad como consecuencia del trabajo en entornos húmedos: confortabilidad. Incrementos de costes de mantenimiento por aumento del porcentaje de averías mecánicas como consecuencia de la acción abrasiva del barro, corrosión de la humedad e influencia de ésta sobre los sistemas eléctricos. Necesidad de instalaciones eléctricas y sistemas electrónicos a prueba de corrosión y humedad. Reducción de la estabilidad geotécnica del macizo: disminución de la cohesión.
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Primero se define el radio hidráulico se corresponde a la relación existente entre el área transversal ocupara por la corriente y su perímetro mojado:
Area transversal
Perímetro mojado de la sección transversal
R
h =
VELOCIDAD EN UN CANAL
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La velocidad en un canal con movimiento uniforme se define como:
FORMULA DE CHEZY
Para el cálculo de C se utiliza la Fórmula de Bazin (muy utilizada en Francia), expresada por:
[L] ½(T) ).
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También puede utilizarse la Fórmula de Kutter, expresada por:
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Es considerada como la fórmula más
satisfactoria para flujo uniforme en
conducciones abiertas. En canal de
sección uniforme, la velocidad de
Manning equivale a la Chézy. La
expresión que calcula la velocidad es:
FORMULA DE MANNING
Coeficiente de Manning Cunetas y canales sin revestir 0,020-0, 0,025-0, 0,035-0, 0,040-0, 0,028-0, 0,030-0, 0,035-0, 0,013-0, 0,016-0, 0,020-0, 0,017-0, 0,023-0, 0,013-0,
0,027-0, 0,033-0, 0,035-0, 0,060-0, 0,100-0,
0,030-0,
0,050-0,
1
1
En tierra ordinaria, superficie uniforme y lisa En tierra ordinaria, superficie irregular En tierra con ligera vegetación En tierra con vegetación espesa En tierra excavada mecánicamente En roca, superficie uniforme y lisa En roca, superficie con aristas e irregularidades Hormigón Hormigón revestido con gunita Encachado Paredes de hormigón, fondo de grava Paredes encachadas, fondo de grava Revestimiento bituminoso Corrientes Naturales Limpias, orillas rectas, fondo uniforme, altura delamina de agua suficiente Limpias, orillas rectas, fondo uniforme, altura de lamina de agua suficiente, algo de vegetación Limpias, meandros, embalses y remolinos de pocaimportancia Lentas, con embalses profundos y canalesramificados Lentas, con embalses profundos y canalesramificados, vegetación densa Rugosas, corrientes en terreno rocoso de montaña Areas de inundación adyacentes al canal ordinario Tabla tomada de S.M. Woodward and C.J Posey “ Hydraulic of steady flow in open channels”
Cunetas y canales revestidos
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Si además se conoce la disposición de los diferentes materiales del sistema acuífero, y los piezómetros están correctamente instalados, mediante un ensayo de bombeo o de interferencia se puede llegar a obtener:
El grado de anisotropía en un plano horizontal y un plano vertical. El grado de heterogeneidad. El coeficiente de goteo , resistencia hidráulica de los acuitardos , coeficiente de drenaje diferido , etc. El coeficiente de almacenamiento de los acuitardos.
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No existe una uniformidad en cuanto a los tiempos de medida, por
cuanto serán las respectivas normas y protocolos los que puedan
reflejar esta circunstancia. No obstante, y con carácter general,
deberían respetarse los siguientes tiempos:
“t” (minutos): 0, 0,5, 1, 2, 3, 4, 7, 10, 15, 20, 30, 45.
“t” (horas): 1, 1,5, 2, 4, 8, 12, 18.
“t” (días): 1, 1,5, 3.
En un plan más reducido:
“t” (minutos): 0, 0,5, 1, 2, 4, 10, 15, 30.
“t” (horas): 1, 2, 4, 8, 12.
“t” (días): 1, 2, 3.
INTERVALO DE MEDICIONES
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El PARTE de BOMBEO es un documento perfectamente organizado, tanto para el bombeo como para la recuperación donde se anotan todos los intervalos de medidas, las características del punto de media y cualesquiera otras incidencias u observaciones de interés.
Una información clara permite una representación gráfica fácil y, en general, se facilitan las interpretaciones (depende de la complejidad de los casos) en el caso de que la persona que interprete el ensayo no sea la misma que ha realizado dicho ensayo.
En los casos en los que se prevea oscilación cíclica (mareas u otros) es conveniente previo al ensayo tomar mediciones no influenciadas por el bombeo por lo menos durante 3 días, para poder evaluar correctamente los resultados y tener en consideración los márgenes de variación natural. En la actualidad, independientemente de la existencia de equipos medidores automatizados, conectados a un sistema informático, es imprescindible la comprobación manual de las medidas.
PARTES DE BOMBEO
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Hipótesis de partida: Sin recargas externas. Acuífero homogéneo e isótropo en cuanto a K. Acuífero infinito. El pozo atraviesa completamente la formación permeable. El agua bombeada produce un descenso inmediato del nivel y no se reintroduce en el acuífero. Flujo radial y horizontal hacia el pozo. El caudal de bombeo es constante.
Acuífero confinado
Np Dinámico
Np inicial
Flujo Radial
ACUIFEROS CONFINADOS
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FORMULA DE THIEM (1906)
REGIMEN PERMANENTE O ESTACIONARIO
Planta del cilindro de radio r y altura b.
r
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Fuente: González de Vallejo ( 2002).
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FORMULA DE THEIS (1935)
Otras representaciones utilizadas: d-log t; d-log(r^2 /t) y d-log(r^2 )
Tiempo Curva patrón de Theis Punto de ajuste
1/u
Descensos. S
W(u)
REGIMEN VARIABLE O TRANSITORIO
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