Teora del Flujo Subterrneo

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Teoría del Flujo Subterráneo

• Notas del curso
• 2008-I

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Referencias

• Referencia principal Pinder, G. F. y Celia M.
  A., Subsurface Hydrology, John Wiley Sons
  Inc, New Jersey, 2006.
• Notas, en la página http//www.mmc.igeofcu.unam.m
  x/cursos/tfs/
• Seminario de Modelación Matemática Computacional,
  página http//www.mmc.igeofcu.unam.mx/smmc/

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1. El agua y el ambiente subterráneo

• Hidrología del agua subterránea
• El agua subterránea y el ciclo hidrológico
• El agua subterránea como recurso
• El agua subterránea y el subsuelo
• Medio cercano a la superficie
• Porosidad
• Tipos de agua en suelo

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1.1 Hidrología Subterránea

• La hidrología subterránea abarca el estudio del
  subsuelo y de toda la ciencia del movimiento del
  agua en su interior.
• Bajo este tópico se enfocará en el movimiento del
  agua así como de varios clases de contaminantes
  en el subsuelo.
• Algunos problemas también considerarán el
  movimiento de otros fluidos como aire en el
  subsuelo somero, aceite, gasolina, y otros
  líquidos no acuosos que son fuente de
  contaminación

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1.1 Hidrología subterránea

• Se abarcan conceptos de varias ciencias
  tradicionales, incluyendo Geología, Ciencia de
  Suelos, Física, Química y Biología. Juntos forman
  la base de la ciencia de la Hidrológica
  Subterránea.
• Si bien se considerarán varios fluidos del
  subsuelo, la Hidrología Subterránea se enfoca en
  el agua.

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1.1 Hidrología subterránea

• Agua
• 60 del peso corporal de los humanos
• 5 se necesita reemplazar diariamente
• Las plantas dependen para la fotosíntesis y para
  llevar los nutrientes a su biomasa desde la raíz
• Juega un rol central en el intercambio de calor y
  la regulación de la temperatura de la tierra
• Ha guiado el desarrollo de la civilización
• Es la causa de hazañas de ingeniería
• Es fuente de retos políticos en todas partes del
  mundo

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1.1 Hidrología subterránea

• Agua
• Su estructura molecular la hace el solvente casi
  universal
• Tiene un muy alto calor específico con el cual
  permite la regulación del calor en el sistema
  tierra y organismos individuales
• Tiene muy alto calor latente asociado al cambio
  de fase 25 de la energía solar se aplica en la
  evaporación del agua, 0.02 se aplica en toda la
  fotosíntesis

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1.2 El agua subterránea y el ciclo hidrológico

• 1,386x106 km3 de agua en la tierra, 100
• 1,338x106 km3 de agua en océanos, 96.5
• Restante 3.5
• En el subsuelo 1.70, como agua subterránea, de
  los cuales 45 es agua dulce
• En estado sólido 1.74, como hielo en glaciares
  y nieve permanente,
• En el restante 0.06 agua en lagos, ríos,
  biomasa y la atmósfera

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1.2 El agua subterránea y el ciclo hidrológico

• El movimiento constante entre sus diferentes
  compartimientos es denominado ciclo hidrológico o
  ciclo del agua
• Entre los compartimientos o reservorios se
  realizan intercambios de agua, los cuales son
  denominados flujos o corrientes
• Un cuadro representando al ciclo hidrológico se
  presenta a continuación

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1.2 El agua subterránea y el ciclo hidrológico
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1.2 El agua subterránea y el ciclo hidrológico

• El tiempo de residencia se define como la razón
  el volumen y la tasa de flujo a través del
  reservorio y es una medida promedio del tiempo
  que toma el movimiento del agua en un reservorio
  en particular.
• El tiempo de residencia a través de los ríos es
  (2100 km3)(44,700 km3/año) 0.047 años 17
  días
• Tiempo de residencia del agua subterránea
  (10,500,000 km3) (46,000 km3/año)229 años

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1.2 El agua subterránea y el ciclo hidrológico

• Con base en esos tiempos de residencia,
• los contaminantes viajan rápidamente en sistemas
  de ríos, y también los evacuan rápido,
• En el caso el agua subterránea, toma un tiempo
  muy largo el movimiento entre dos puntos los
  contaminantes se dispersan lento y mucho tiempo
  toma la limpieza
• El agua superficial y la subterránea están
  ligados el lento aporte de agua subterránea a
  cuerpos de agua superficial permite que los ríos
  continúen fluyendo aún sin lluvia este fenómeno
  es denominado flujo base

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1.3 El agua subterránea como recurso

• En 1990 al 51 de la población en EE. UU. le fue
  suministrada agua subterránea por estados se
  muestra en la figura a continuación el cómo es
  usada se muestra también esquemáticamente
• A dos terceras partes de la población a escala
  mundial, se le suministra agua subterránea

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1.3 El agua subterránea como recurso
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1.3 El agua subterránea como recurso
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1.3 El agua subterránea como recurso

• El agua es extraída típicamente del subsuelo
  mediante un pozo
• En su forma más simple un pozo es un hoyo
  vertical en la tierra que penetra lo suficiente
  para alcanzar agua que puede ser extraída en
  cantidades útiles y suficientes.
• Los pozos modernos se construyen usando torres de
  perforación. Una bomba es usada para llevar el
  agua del subsuelo a la superficie, luego una red
  de tubería es usada para la distribución
• Se tiene registro de su uso desde hace 3000 años

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1.3 El agua subterránea como recurso

• Categorías de pozos
• Irrigación. Los más numerosos. Patrón circular
• Pozos municipales. Grandes volúmenes a redes de
  distribución
• Pozos industriales. Agua de alta calidad
• Pozos domésticos. Lejanos de la red de
  distribución y de costo prohibitivo

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1.4 El agua subterránea y el subsuelo

• Acuífero formación geológica que provee un flujo
  aun pozo en grandes cantidades y de volumen tal
  que satisface la demanda específica. La capacidad
  de transmitir agua en grandes cantidades requiere
  baja resistencia al flujo o una alta
  permeabilidad.
• Acuitardo formación que puede transmitir agua
  solo en pequeñas cantidades y que no se pueden
  usar para suministro de agua
• Acuicludo formación que contiene agua y no puede
  transmitirla

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1.4 El agua subterránea y el subsuelo

• Acuífero confinado acuífero que está bordeado
  por arriba y abajo por acuicludos
• Acuífero semiconfinado acuífero bordeado arriba
  y abajo por acuitardos
• Acuífero no confinado o freático acuífero no
  bordeado por arriba ni por acuicludo ni
  acuitardoy que tiene la superficie terrestre por
  arriba
• Acuífero artesiano acuífero que contiene agua a
  suficiente presión que al ser perforado el pozo
  la presión empuja el agua hasta la superficie

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1.4 El agua subterránea y el subsuelo

• Sistemas de capas del subsuelos a menudo son
  caracterizadas por capas de área muy extensa,
  comparada con su espesor. En la siguiente figura
  la escala vertical tiene un factor de 1601. La
  pendiente es exagerada y las capas pueden ser
  tratadas como estructuras bidimensionales

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1.4 El agua subterránea y el subsuelo
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1.5 Medio cercano a la superficie

• El medio cercano a la superficie, como se va a
  usar aquí, se refiere a la porción de la corteza
  terrestre que contiene, o tiene el potencial de
  contener agua dulce móvil. En esta sección se
  consideran las propiedades físicas del ambiente
  del subsuelo como roca, matriz porosa y sus
  fluidos. Esto ocurre en las regiones someras las
  regiones profundas contienen aguas salinas y
  salmueras.

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1.5 Medio cercano a la superficie

• Suelo es un conjunto de partículas conteniendo
  una mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos
  capaz de sustentar vegetación. Se deriva
  generalmente de roca intemperizada y puede tener
  origen puramente orgánico. En su primera etapa de
  formación es la acumulación de fragmentos de roca
  no consolidada. Una vez iniciara su formación
  forma capas en un proceso conocido como
  diferenciación de horizontes. En la siguiente
  figura se muestra un perfil de un suelo.

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1.5 Medio cercano a la superficie
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1.5 Medio cercano a la superficie

• El agua del suelo provee a las plantas de agua y
  nutrientes. Las plantas actúan como bomba
  biológica a través de la evaporación y
  transpiración

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1.5 Medio cercano a la superficie

• Estructura del suelo y empaquetamiento
• En un medio poroso compuesto de granos
  relativamente esféricos los poros tendrán una
  geometría que es muy diferente de la se encuentra
  en un medio poroso caracterizado por partículas
  tipo plano como la de una arcilla.

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1.5 Medio cercano a la superficie

• En la figura los poros ocupan el centro del
  arreglo cúbico de granos esféricos, con la misma
  geometría desde las perspectivas de las seis
  caras.

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1.5 Medio cercano a la superficie

• Los poros ilustrados en esta otra figura tienen
  diferente geometría de poro si se ve desde
  arriba, abajo o de lado.

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1.5 Medio cercano a la superficie

• La geometría de poro es influenciada por el
  arreglo de granos. En la figura las esferas de
  igual tamaño están en un arreglo de empaque
  romboédrico, que con respecto al cúbico cambia de
  espacio de vacíos de 48 a 26

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1.5 Medio cercano a la superficie

• El porcentaje de espacio vacío es también función
  de la variabilidad del tamaño de grano, como en
  la figura, donde la inclusión de granos de otro
  tamaño reduce aún más el espacio de vacíos

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1.5 Medio cercano a la superficie

• Porosidad
• Donde
• Vv es el volumen de vacíos o volune del espacio
  de poros,
• V es el volumen total de la muestra

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1.5 Medio cercano a la superficie

• Cálculo de la porosidad para el experimento

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1.5 Medio cercano a la superficie

• En general NO podemos medir el volumen de los
  poros individuales
• A causa de la dificultad asociada con la medición
  directa del tamaño de poro y su geometría existe
  un método indirecto basado en el tamaño de grano.
  La distribución del tamaño de grano es usada para
  una caracterización básica de suelos y materiales
  no consolidados

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1.5 Medio cercano a la superficie

• Distribución de tamaño de grano
• El tamaño de grano es medido mediante cribas
• Para material menor a la malla del No 200 se usa
  el método del hidrómetro

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1.5 Medio cercano a la superficie
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1.5 Medio cercano a la superficie
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1.5 Medio cercano a la superficie
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1.5 Medio cercano a la superficie
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1.5 Medio cercano a la superficie
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1.5 Medio cercano a la superficie
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1.5 Medio cercano a la superficie

• Clasificación de suelos
• Para determinar un punto primero se determinan
  los porcentajes por peso de cada clase de suelo
  según la tabla y luego se grafica el punto en la
  gráfica triangular

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1.5 Medio cercano a la superficie
44
1.5 Medio cercano a la superficie
45
1.6 Porosidad

• Porosidad primaria cuando un suelo es no
  consolidado y los granos individuales retienen su
  identidad. El término medio poroso se usa cuando
  un material exhibe porosidad primaria
• Porosidad secundaria es la atribuible a procesos
  geológicos que ocurren después de la formación
  de las capas de sedimentos. Planos de dislocación
  o fracturas son una forma de porosidad secundaria

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1.6 Porosidad
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1.6 Porosidad
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1.6 Porosidad

• Desde 13 cm de longitud hasta 199 millas

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1.6 Porosidad
50
1.6 Porosidad

• La porosidad secundaria puede ocurrir en varias
  escalas
• Los bloques pueden jugar un papel importante en
  la hidrología de contaminantes
• La difusión puede ser significante en medios
  porosos fracturados
• Las fracturas tienden a ser supercarreteras de la
  contaminación

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1.6 Porosidad

• Relación de vacíos

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1.6 Porosidad

• fluidos y fases múltiples un medio poroso a
  menudo consiste de granos de suelo y múltiples
  fluidos. La coexistencia de dos fase fluidas,
  agua y aire de define un sistema de fluidos
  multifase. El sistema multifase más comúnmente
  encontrado es el de la zona vadosa también
  llamada como zona no saturada, o zona
  parcialmente saturada. La cantidad de agua
  presente es el contenido de agua o el grado de
  saturación.

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1.6 Porosidad

• fluidos y fases múltiples

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1.6 Porosidad

• fluidos y fases múltiples

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1.6 Porosidad

• fluidos y fases múltiples

56
1.6 Porosidad

• fluidos y fases múltiples

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1.6 Porosidad

• Conectividad y tortuosidad
• la habilidad de un fluido para fluir en un suelo
  depende no solo de la existencia de poros sin
  también de su conectividad
• La tortuosidad evalúa la distancia que una
  partícula debe viajar entre dos puntos en un
  medio poroso con respecto a la distancia en línea
  recta. Está dada por a-b dividida por c-d.

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1.6 Porosidad
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1.6 Porosidad
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1.7 Tipos de agua en suelo

• Móvil agua que se mueve libremente entre los
  granos de suelo bajo la influencia de fuerzas
  hidrodinámicas más que químicas
• Adsorbida agua con comportamiento gobernado por
  fuerzas de atracción asociadas con la estructura
  bipolar de las moléculas de agua y la superficie
  mineral sólida
• Capilar agua con propiedades físicas dictadas
  por el hecho de que se encuentra en la franja
  capilar donde el agua está bajo presión negativa
  o succión
• Pendular agua inmóvil, hidrodinámicamente
  desconectada, en poros al final de camino.

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1.7 Tipos de agua en suelo

• Zona vadosa a la izquierda perfil del suelo a
  la derecha gráfica del grado de saturación en
  función de la profundidad.
• Rendimiento específico volumen de agua drenado
  de una columna de suelo de área horizontal
  unitaria por unidad de declinación en la
  elevación del nivel del agua