Cap 5 Cartografia Hidrogeologica

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Garca Rodrguez, M y Fernndez Escalante A. E.(2009). Hidrogeologa bsica. Las aguas subterrneas y su flujo( 3 edicin). Ediciones FIEC, 135 pg. Captulo 5

Cartografa hidrogeolgica 5.1. Introduccin En este tema se van a definir los conceptos fundamentales que se deben tener claros para interpretar mapas y perfiles hidrogeolgicos. Los mapas hidrogeolgicos deben aportar la informacin suficiente que nos permitan conocer cmo es el movimiento del agua subterrnea, y en su caso, la relacin con los cursos de agua superficiales. Debern proporcionar informacin cuantitativa (rdenes de magnitud), de los parmetros hidrogeolgicos de los sistemas acuferos existentes. El rasgo ms importante que se refleja en estos mapas es la superficie piezomtrica. Los mapas hidrogeolgicos suelen tener una base geolgica simplificada que proporcione informacin sobre la geometra de los acuferos y sobre las propiedades hidrulicas de los materiales. En los apartados siguientes, primero se explica en qu consiste el trabajo de campo para la toma de datos, se pasa a comentar los mapas de isopiezas, luego los perfiles hidrogeolgicos y se finaliza con las redes de flujo. Por aquello de que "una figura vale ms que mil palabras", este captulo est ilustrado con sencillos esquemas de mapas y perfiles hidrogeolgicos. En el apartado 5.5 se incluyen algunos ejercicios resueltos de aplicaciones elementales sobre el clculo de caudales y elaboracin de redes de flujo.

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5.2. Inventario de puntos de agua La primera fase de prcticamente cualquier estudio hidrogeolgico, consiste en la toma de datos en campo y del posterior anlisis de algunos de ellos en el laboratorio. Esta primera etapa de trabajo nos deber proporcionar la informacin suficiente del medio fsico, de modo que podamos llevar a cabo la investigacin hidrogeolgica que estemos haciendo con el detalle deseado. La toma de datos de inters hidrogeolgico y el muestreo del agua subterrnea, es una operacin sencilla y a la vez delicada. Frecuentemente por falta de cuidado en el trabajo de campo se obtiene datos errneos o poco precisos, que influye directamente sobre la validez de los resultados finales del proyecto. El trabajo de campo que se realiza para la obtencin de informacin hidrogeolgica, suele iniciarse con un inventario de puntos de agua. El inventario de puntos de agua consiste en la recopilacin del mayor nmero de datos e informacin que podamos obtener de las captaciones de agua existentes en una zona. Los puntos de agua que deben inventariarse incluyen: pozos excavados, sondeos o pozos perforados, manantiales y otras obras especiales de captacin de agua subterrnea que permitan posicionar el nivel fretico o piezomtrico (que deben ser disociados al elaborar las equipotenciales, ya que puede haber ms de un acufero) en la vertical. Los datos que tienen ms inters del inventario son:

- Coordenadas de la captacin (x, y, z). - Croquis de situacin. - Profundidad del pozo. - Cota de la boca de la captacin. - Profundidad del nivel del agua en la captacin. - Cota del nivel del agua. - Caractersticas tcnicas de la perforacin. - Diseo de la captacin.

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- Columna litolgica del pozo. - Rgimen de explotacin. - Determinacin de parmetros fsico-qumicos in situ.

Las dos medidas principales que se deben hacer sobre la captacin son la profundidad del nivel piezomtrico y la profundidad total de la captacin. La profundidad del agua se determina con la ayuda de un limnmetro o hidronivel. Este aparato no es ms que una cinta graduada al centmetro, con un electrodo en el extremo, que nos avisa en el momento que se pone en contacto con el agua. Existen varios tipos de limnmetros comercializados, siendo los ms corrientes los que avisan por medio de un pitido, una luz o simplemente con un ampermetro. Es imprescindible referenciar siempre el punto de la boca del pozo utilizado para la medida del nivel piezomtrico, que permita poder hacer sucesivas medidas en distintas fechas manteniendo la precisin; y conocer la distancia de este punto al nivel medido del terreno.

Figura 5.1. Determinacin de la profundidad del nivel fretico durante el inventario de puntos de agua.

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Para conocer la profundidad de la captacin se utiliza una plomada. Las sondas ms utilizadas para hacer este tipo de determinacin son las de la casa SEBA. El instrumento de medida consiste en un carrete de cable de acero muy fino, de hasta 300 m, que tiene una plomada en un extremo, y que indica la profundidad a la que toca fondo con un cuentavueltas que mide en metros. Esta instrumentacin se hace imprescindible para poder conocer la profundidad de sondeos de gran profundidad (en general para aquellos que tienen ms de 15 - 20 m). En la figura 5.2 se muestra un ejemplo de ficha bsica de inventario de puntos de agua. 5.3. Mapas de isopiezas Un mapa de isopiezas es una representacin en planta de la distribucin del potencial hidrulico del agua de un acufero. Esta representacin se hace a partir de isolneas que representan puntos de igual potencial hidrulico. 5.3.1. Metodologa El procedimiento prctico para su elaboracin consiste en recopilar el mayor nmero de datos sobre los niveles piezomtricos de la zona de estudio, y referenciarlos con cotas absolutas sobre un mapa, que contenga preferiblemente, una base geolgica simplificada. La recopilacin de estos datos forma parte del trabajo denominado como "inventario de puntos de agua". Es importante tener en cuenta que la superficie piezomtrica no es constante en el tiempo, y por tanto todas las medidas debern estar referidas a una fecha concreta. Una vez que se tienen dibujadas las cotas del agua en el plano, se trazarn las isolneas (isopiezas en este caso), con los potenciales medidos en campo manteniendo la equidistancia predefinida. El resultado ser un mapa, que a efectos prcticos puede interpretarse como si se tratara de una representacin de la "topografa" del lmite superior de la zona saturada, para el caso de acuferos libres. Debe tenerse claro que las isopiezas no son cotas del agua, sino potenciales hidrulicos del agua.


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Figura 5.2. Modelo de ficha con los datos bsicos que deben recopilarse al

realizar un inventario de puntos de agua.

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Al pintar las isopiezas se deber tener especial cuidado en no mezclar datos de potenciales correspondientes a distintos acuferos, que puede complicar su correcta interpretacin, ms si unos funcionan como libres y otros como confinados o cautivos, de ah la necesidad de disociar los datos obtenidos en el inventario de acuerdo con la profundidad de las captaciones. Antes de empezar a dibujar la isopiezas, se deber tener en cuenta el medio fsico particular, y definir las condiciones de contorno oportunas. Desde el punto prctico, al pintar las isopiezas se debe intentar seguir las siguientes normas:

1. Las lneas deben tener un de trazo suave, sin picos ni quiebros bruscos.

2. Dos isopiezas nunca pueden cortarse. 3. Se debe mantener la equidistancia que se haya definido al inicio del

trabajo cartogrfico. 4. La forma entre dos isopiezas consecutivas debe ser similar,

manteniendo cierto paralelismo. Esta norma puede no cumplirse en el caso de que se tratarse de una zona con dispositivos artificiales que modifiquen el flujo bruscamente (pozos, diques, drenes, etc.).

5. Son siempre perpendiculares a bordes impermeables y paralelas a superficies de agua libres con las que tenga conexin hidrulica.

Los lmites impermeables se caracterizan por no dejar pasar el agua a travs suyo. De este modo, cuando el agua se pone en contacto con un lmite impermeable, circula paralelamente a l. En un lmite impermeable las lneas equipotenciales son perpendiculares a dicho lmite y las lneas de flujo paralelas. En zonas como los ros, lagos, mares, etc., que estn en contacto con los acuferos, la superficie de contacto funciona como una autntica equipotencial, y por tanto el flujo es perpendicular a dicha superficie. Las equipotenciales en estos casos son paralelas a las superficies en cuestin.



Figura 5.3. Mapa de isopiezas. En los lmites impermeables las isopiezas son perpendiculares a ellos. En el lago, el borde acta como una equipotencial (de nivel constante), y las isopiezas sern paralelas al borde. Cuando la superficie topogrfica corta el nivel fretico, se forman zonas de rezume o manantiales. En estos casos coinciden por tanto la cota topogrfica y piezomtrica (potencial hidrulico del agua). 5.3.2. Relacin ro acufero a) Ros ganadores Tambin llamados efluentes. Son ros que reciben agua desde los acuferos. Es decir, su lecho se sita a una cota inferior al nivel piezomtrico en sus mrgenes. Suelen tener un caudal bastante constante en el tiempo. En cartografa hidrogeolgica, las isopiezas se representan con la convexidad hacia aguas arriba.

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b) Ros perdedores Tambin llamados influentes. Son ros que pierden agua por infiltracin desde su lecho y recargan los acuferos. En ellos, la cota del lecho del ro se encuentra a una cota superior que la del nivel fretico. En cartografa hidrogeolgica este tipo de relacin viene representada por las isopiezas dibujadas con la convexidad hacia aguas abajo.

Figura 5.4. Relacin ro-acufero. A. Ro ganador y B. Ro perdedor. Las trazas discontinuas representan lneas de flujo subterrneo; del acufero hacia el ro o del ro hacia el acufero respectivamente.

c) Ros desconectados de acuferos Se trata de ros que no tienen conexin con ningn acufero. Suele ser muy frecuente y puede haber muchas situaciones diferentes. En este apartado, a modo de ejemplo, se comentan nicamente dos posibilidades (figura 5.5).



Figura 5.5. A) Ro y acufero sin conexin debido a la impermeabilidad del lecho del ro. En esta situacin las isopiezas pueden tener cualquier forma respecto al ro. B) Esquema de la relacin entre un ro y un acufero confinado. Al igual que en caso A, las isopiezas pueden tener cualquier forma respecto al ro. 5.3.3. Gradiente hidrulico El gradiente hidrulico da idea de la pendiente de la superficie fretica o piezomtrica. Suele representarse por la letra i, y puede expresarse como la diferencia de potencial (h) entre los dos puntos considerados, dividido entre la distancia que separa esos dos puntos medido en lnea recta (L);

i = (h1-h2)/L Segn esta expresin, las zonas de mximo gradiente sern aquellas que tengan las isopiezas ms juntas, y las de menor gradiente las que tengan las isopiezas ms separadas. Por lo general en acuferos libres, zonas de bajo gradiente hidrulico son caractersticas de medios de alta permeabilidad.

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Su determinacin a partir de un mapa de isopiezas es muy sencilla (figura 5.6).

Figura 5.6. Mapa de isopiezas con indicacin de las zonas de mximo y

mnimo gradiente (isopiezas juntas y separadas respectivamente).

5.3.4. Divisoria de aguas subterrneas Representa la lnea terica a partir de la cual las lneas de flujo de agua subterrnea divergen y el acufero se drenar por diferentes ros, arroyos o lagos, si se trata de grandes cuencas hidrolgicas. Grficamente, la lnea divisoria se determina uniendo los puntos de mxima curvatura de cada isopieza (figura 5.7).



Figura 5.7. Divisoria de aguas subterrneas y lneas de flujo(representadas

por flechas y cruces respectivamente).

5.3.5. Tipos de superficies piezomtricas Dependiendo de la separacin entre las isopiezas y de su disposicin relativa, segn criterios morfolgicos, se pueden definir varios tipos de superficies piezomtricas. Seguidamente se cita, a modo de ejemplo, una de las mltiples clasificaciones existentes (Custodio y LLamas, 1983).

a) Superficie cilndrica. La isopiezas quedan representadas por rectas paralelas.

b) Superficie radial. Las isopiezas son curvas. Las lneas de corriente tienden a converger.

c) Superficie plana. La separacin entre isopiezas es constante. d) Superficie parablica. La separacin entre isopiezas disminuye hacia

aguas abajo.

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e) Superficie hiperblica. La separacin entre isopiezas aumenta hacia aguas abajo.

f) Superficie elptica: La separacin entre isopiezas aumenta tanto hacia un lado como hacia otro a partir de una de ellas.

5.4. Perfiles hidrogeolgicos Los perfiles hidrogeolgicos constituyen una de las herramientas de representacin ms valiosa en hidrogeologa, ya que permiten visualizar con mucha claridad, cmo es el flujo subterrneo. Mientras un profesional no sea capaz de representar en un perfil (seccin vertical), el esquema de flujo de la zona de trabajo, muy posiblemente signifique que no entiende con claridad el problema al que se enfrenta. Como deca el profesor Llamas, a quien tantas veces se lo hemos odo quienes hemos trabajado con l, la hidrogeologa son perfiles. 5.4.1. Mtodo La metodologa que debe seguirse para realizar un perfil hidrogeolgico es la misma que se emplea al realizar una seccin vertical del terreno, superponiendo los datos de piezometra. Las pautas de trabajo podemos resumirlas en los siguientes puntos:

1. Disponer del el mapa de isopiezas de zona. Este deber contar con una base topogrfica.

2. Seleccionar la traza del perfil que se desee hacer. 3. Realizar el corte topogrfico por los mtodos clsicos, proyectando

los puntos de interseccin entre la traza seleccionada y las curvas de nivel sobre unos ejes. Es conveniente que la escala vertical sea exagerada frente a la horizontal.

4. Realizar la misma operacin que en el punto anterior, pero en esta ocasin proyectando los puntos de interseccin entre la traza seleccionada y las isopiezas.



Figura 5.8. Mapa de isopiezas y perfil hidrogeolgico correspondiente a la traza A-B. La escala vertical del perfil est muy exagerada respecto a la escala horizontal con objeto de que resulte ms ilustrativo. Para simplificar la figura, en el mapa de isopiezas no se han dibujado curvas de nivel, por tanto la topografa del perfil es inventada. Las lneas equipotenciales de la seccin vertical son esquemticas.

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5.4.2. Zonas de recarga y zonas de descarga Entendemos por zonas de recarga aquellas en las que el agua se mueve desde la superficie hacia los acuferos, alimentndolos y por tanto, recargndolos. Por el contrario, al hablar de zonas de descarga nos referimos a las zonas en las que el agua se mueve desde el acufero hacia la superficie, es decir, el acufero se descarga. En el medio natural la descarga se produce a travs de manantiales, ros, arroyos, lagos o bien por salida directa hacia el mar.

Figura 5.9. Esquema regional de flujo de aguas subterrneas con indicacin de las zonas de recarga y zonas de descarga de agua subterrnea. a) Caractersticas de las zonas de recarga

- El flujo es descendente, el agua se mueve de zonas de mayor potencial a

zonas de menor potencial. - En zonas de recarga, cuanto ms profundo es el piezmetro (debe estar

abierto slo en su base), a ms profundidad se encontrar el nivel del agua en su interior.



- Regionalmente, suelen coincidir con las zonas de interfluvios.

Figura 5.10. Perfil hidrogeolgico detallado con representacin del nivel del agua alcanzado en tres piezmetros, segn se localicen en zonas de recarga o en zonas de descarga de aguas subterrneas. En zonas de recarga el flujo es descendente y en zonas de descarga ascendente b) Caractersticas de las zonas de descarga - El flujo es ascendente, el agua se mueve de zonas de mayor potencial a

zonas de menor potencial. - En zonas de descarga, cuanto ms profundo es el piezmetro, a menos

profundidad se encontrar el nivel del agua en su interior. Frecuentemente son pozos surgentes, con un nivel piezomtrico situado por encima de la superficie topogrfica.

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- Regionalmente, suelen coincidir con valles fluviales o lagos. En perfiles, las lneas equipotenciales forman crculos concntricos que se cierran coincidiendo con valles o lagos.

5.5. Redes de flujo 5.5.1. Definicin y Mtodo Una red de flujo es el mallado que resulta de la interseccin entre las lneas equipotenciales y lneas de corriente. En medios homogneos e istropos estas mallas o redes son ortogonales, debido a que el vector gradiente es por definicin perpendicular a las equipotenciales, y el vector velocidad paralelo a ste ltimo pero con sentido contrario. Para poder disear una red de flujo se debe partir de los siguientes supuestos:

1. El acufero es homogneo. 2. El medio est totalmente saturado. 3. El acufero es istropo. 4. El rgimen es estacionario. 5. Agua y suelo son incompresibles. 6. El flujo es laminar y est regido por la Ley de Darcy. 7. Las condiciones de contorno son conocidas.

El mtodo:

1. Identificar las condiciones de contorno. 2. Dibujar un perfil a escala con las condiciones de contorno. 3. Identificar y dibujar las equipotenciales mxima y mnima. 4. Dibujar un mallado entre las lneas de flujo y lneas equipotenciales,

intentando que sean perpendiculares entre s, haciendo formas lo ms cuadradas posibles.

5. Determinacin del caudal aplicando la Ley de Darcy adaptada al problema.



El caudal total que circula por un la red flujo, considerando una anchura unitaria de acufero puede determinarse como:

Q = KH NF/Nd Donde:

Q = caudal total. K = permeabilidad. NF = nmero de canales o tubos de flujo. Nd = nmero de saltos o de cadas de potencial contados en la figura. H = salto de potencial total entre los dos bordes.

Si una vez definida la red flujo se desea calcular el valor de la presin hidrosttica en cualquier punto, bastar hacer; p = g(h-z), donde "p" es presin hidrosttica buscada, "g" es el peso especfico del agua, "h" es el valor de la equipotencial que pasa por ese punto, y "z" es la cota del punto respecto a un plano considerado como referencia para las medidas.

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5.5.2. Aplicaciones Ejemplo 1 Calcular el caudal que circula por el acufero de la figura adjunta, suponiendo una K = 15 m/da.

Figura 5.11. Esquema con la distribucin de lneas equipotenciales en un acufero libre que est limitado por dos zanjas (la zanja de la izquierda de recarga y la de la derecha de drenaje o descarga). Aplicando:

Q = KH NF/Nd Resulta: K = 15 m/da. NF = 2. Nd = 4. H = 2. Q = 15 m3/da.



Ejemplo 2 Figura esquemtica de una ladera que se drena de forma natural por un manantial situado en su base. En la figura se han dibujado siete lneas equipotenciales equidistantes (se incluye el manantial), y varias lneas de flujo. Las equipotenciales deben ser equidistantes entre si, es decir, entre dos equipotenciales consecutivas la distancia proyectada sobre el eje de ordenadas debe mantenerse. Una vez establecido el punto de corte con el nivel fretico, se pintarn perpendiculares al nivel fretico y a los bordes impermeables. Las lneas de flujo se dibujan siempre perpendicularmente a las equipotenciales con sentido que va de mayor a menor potencial.

Figura 5.12. Esquema de flujo en una ladera.

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Ejemplo3 Clculo de caudal y diseo de la red de flujo bajo una presa. Aplicando:

Q = KH NF/Nd Resulta: K = 10 m/da (dato). NF = nmero de canales o tubos de flujo; 4. Nd = nmero de saltos o de cadas de potencial contados en la figura; 8. H = salto de potencial total entre los dos bordes; 5. El caudal que circula por debajo de la presa, por metro lineal de cerrada, ser: Q = 25 m3/da.

Figura 5.13. Red de flujo por debajo de una presa.



Ejemplo 4 Calcular el caudal que circula, por metro lineal, por debajo de la presa de la figura adjunta.

Figura 5.14. Esquema de una red de flujo bajo una presa con pantalla. Para determinar el caudal que circula por debajo de la presa primero debe disearse la red de flujo. En este caso se han dibujado doce saltos de potencial y cinco tubos de flujo. Aplicando:

Q = KH NF/Nd Resulta:

K = 10 m/da (dato). NF = 5. Nd = 12. H = 12. Q = 50 m3/da.

Los perfiles hidrogeolgicos constituyen una de las herramientas de representacin ms valiosa en hidrogeologa, ya que permiten visualizar con mucha claridad, cmo es el flujo subterrneo. Mientras un profesional no sea capaz de representar en un per...5.4.1. MtodoLa metodologa que debe seguirse para realizar un perfil hidrogeolgico es la misma que se emplea al realizar una seccin vertical del terreno, superponiendo los datos de piezometra. Las pautas de trabajo podemos resumirlas en los siguientes puntos:1. Disponer del el mapa de isopiezas de zona. Este deber contar con una base topogrfica.

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