Hidrología

Hidrología y propiedades físicas
del agua subterránea
(SEMANA 1)
Ing. Silvia Hinostroza
silvia.smeets@gmail.com
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
UNIDAD DE POSTGRADO FIGMM UNI
MAESTRIA EN MINERIA Y MEDIOAMBIENTE
MEM-205 HIDROGEOLOGIA

INFORMACION DEL CURSO
• PROFESOR: SILVIA MILAGROS HINOSTROZA GARCIA
• CORREO: silvia.smeets@gmail.com
• AULA:
• HORARIO: SABADO 11 AM – 2 PM
• TEXTO:
• Charles R. Fitts, 2002, Groundwater Science, Elsevier science
• Franklin Schwartz/Hubao Zhang, 2003, Fundamentals of Groundwater, Ohio State University, John Wiley &
Sons.
• C.W. Fetter, 1994, Applied Hydrogeology, third edition, University of Wisconsin, Macmillan College
Publishing Company.
• David K. Todd, Larry W. Mays, 2005, Groundwater Hydrology, University of California, Wiley
• E. Custodio/M.R. Llamas, 1976, Hidrología Subterránea, segunda edición, Ediciones Omega.
• Jacquell B. Deleur, 2007, The handbook of groundwater engineering, second edition, CRC Press

HIDROGEOLOGIA
• «La hidrogeología es la ciencia que estudia:
• El origen y la formación de las aguas subterráneas,
• Las formas de yacimiento, su difusión, movimiento, régimen y reservas,
• Su interacción con los suelos y rocas,
• Su estado (líquido, sólido y gaseoso) y propiedades (físicas, químicas,
bacteriológicas y radiactivas);
• Las condiciones que determinan las medidas de su aprovechamiento,
regulación y evacuación»
• (Mijailov, L. 1985. Hidrogeología. Editorial Mir. Moscú, Rusia. 285 p)
• https://es.wikipedia.org/wiki/Hidrogeología

PROGRAMACION DEL CURSO
CURSO DE MEM 205 - HIDROGEOLOGIA - 2016
SEMANA FECHA TEMA
1 16 Abril Hidrología y Propiedades Físicas del agua subterránea
2 23 Abril Propiedades del acuífero
3 30 Abril Principios del Flujo de agua Subterránea – Parte 1
4 7 Mayo Principios del Flujo de agua Subterránea – Parte 2
5 14 Mayo Pruebas de bombeo en acuíferos confinados
6 21 Mayo Pruebas de bombeo en acuíferos no confinados
7 28 Mayo Examen 1
8 4 junio Acuífero semiconfinado y pozos parcialmente penetrantes
9 11 junio Ensayos slug, escalonados e intermitentes
10 18 Junio Acuíferos superpuestos y limitados
11 25 Junio Pozos de agua
12 2 Julio Química y contaminación del agua subterránea
13 9 Julio Contaminación e introducción al modelamiento del agua subterránea
16 Julio Examen 2

PROGRAMACION DE LOS EXAMENES Y PRACTICAS
• EXAMEN 1 (20%), EXAMEN 2 (40%) Y 8 PRACTICAS EN CASA (40%)
CURSO DE MEM 205 - HIDROGEOLOGIA– 2016
SEMANA PRACTICA FECHA FECHA DE ENTREGA MAX (14:00 pm) PESO PUNTAJE
1
2 1 23 abril 30 abril 5% 1
3 2 30 abril 7 Mayo 5% 1
4 3 7 Mayo 14 Mayo 5% 1
5 4 14 Mayo 21 Mayo 5% 1
7 28 Mayo EXAMEN 1 20% 4
8 5 4 Junio 11 Junio 5% 1
9 6 11 Junio 18 Junio 5% 1
10 7 18 Junio 25 Junio 5% 1
11 8 25 Junio 2 Julio 5% 1
14 16 Julio EXAMEN 2 40% 8
PUNTAJE TOTAL : 20 PUNTOS (100%) 100% 20

HORARIO Y CONTENIDO DEL CURSO
1 HIDROLOGIA Y PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA SUBTERRANEA (SEMANA 1)
1.1 Introducción, Reservorios globales de agua.
1.1 Proceso hidrológico en la superficie de la tierra. Precipitación, Evaporación,
Infiltración y recarga, descarga de agua hacia cuerpos de agua, bombeo.
1.3 Balance Hidrológico
1.4 Propiedades Físicas del agua: densidad, compresibilidad, viscosidad, tensión
superficial y capilaridad.
1.5 Propiedades físicas del aire y medio poroso. Porosidad y vacío. Tamaño de la
partícula de suelo. Contenido volumétrico del agua y densidad aparente.
1.6 Energía y altura piezométrica. Hidrostática.
1.7 Medición del nivel piezométrico en pozos y piezómetros.

OBJETIVO
• DESPUÉS DEL CAPITULO 1, EL ALUMNO DEBE SER CAPAZ DE:
• Tener conocimiento sobre el Balance Hídrico de una cuenca
(Superficial y Subterráneo) y las variables que participan en su
cálculo.
• Desarrollar entendimiento sobre las propiedades físicas del agua y
medio poroso.
• Describir y calcular el nivel o altura piezométrica en un piezómetro

1.1.1 INTRODUCCION
• El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre.
• Su propiedad mas importante: DISOLVENTE
• El agua es el elixir de la vida, sin agua nada es posible.
• Las civilizaciones florecen cuando el abastecimiento de agua es posible.
• Persona: 3 lt/dia de agua potable ( líquidos del cuerpo)
• Consumo doméstico básico: 50lt/hab/día (OMS)
• Lima 2013: 170 lt/hab/día VOLUMEN DE AGUA EN EL
PLANETA: 1.4 x 109 Km3
OCEANOS
97%
AGUA FRESCA
3%
AGUA SUBTERRANEA
30.1%

1.1.2 RESERVORIOS GLOBALES
• El agua fresca subterránea es 100 veces mas abundante que el agua fresca superficial.
• Reservas de agua Perú: 1,953km3/año. (posición 8, 2013)
• Fuente: http://www.cartafinanciera.com/uncategorized/los-10-paises-con-mas-reservas-de-agua-del-mundo/

1.1.3 ACUIFEROS EN EL MUNDO
• Areniscas de Nubia: 150,000 km3
• Gran Cuenca Artesiana: 64,900 km3
• Acuífero Guaraní: 37,000 Km3

1.2.1 PROCESO HIDROLÓGICO
• Ciclo Hidrológico: proceso de circulación del agua en la troposfera de la tierra.
• La cantidad total de agua es constante.
• Más agua atmosférica fluye de los océanos hacia la superficie que visceversa.
CICLO HIDROLOGICOGLOBAL
():flujostotales x 1000 Km3/año
(fuente: Maidment 1993)
Superficie terrestre:
Precipitacion > evapotranspiración
Océanos:
Precipitación < evaporación
1 molécula de agua
@100 años:
98 años en el océano.
1.5 años como hielo
1 mes lagos y ríos
<1 semana atmósfera

1.2.2 PRECIPITACION
• Formas: Líquida o sólida: lluvia, granizado, nieve.
• Instrumentos de medición:
• Pluviómetro: tradicionales (nivel de agua caída), digitales
(lluvia acumulada, temperatura)
• Lugares mas lluviosos:
• Nor-este India (colinas Kashi) :11,871mm/anual
• Aldea Puerto Lopez (Colombia): 12,892mm/anual
• Lugar mas lluvioso Perú:Quincemil (Cuzco):7,354mm/anual
• Método de cálculos:
• Media aritmética
• Polígono de Thiessen
• Curvas Isoyetas

1.2.3 PRECIPITACION – Método de cálculo
• Media Aritmetica:
1
: Precipitación promedio del área; : Número de estaciones en el área; : Precipitación en la estación i
• Polígono Thiessen:
• Se une con una línea las estaciones adyacentes.
• Se traza la mediatriz de cada línea.
• Define el polígono alrededor de la estación.
• Calculo del área del polígono.
∑
∑
: área del polígono alrededor de la estación i

1.2.3 PRECIPITACION – Método de cálculo
• Curvas Isoyetas:
• Dibujo de isoyetas (computarizado).
• Hallar el área entre isoyetas.
• Calculo de precipitación promedio entre dos isoyetas adyacentes.
∑
∑
: Precipitación promedio del área entre dos curvas adyacentes; : Número de contorno de curva;
: Área entre dos curvas.

1.2.4 EVAPORACION
• Cantidad de agua que se pierde de superficies libres de agua (ríos, lagos.)
• Evaporación Máxima: 4,000 mm/año
• Instrumento de medición: Evaporímetro
• Modelos de evaporímetros:
• Depósitos sobre el suelo (tanques clase A), enterrados, flotantes
• De Balanza (Evaporímetro de Wild)
• Porcelana Porosa
• Superficies de papel húmedo (Evaporímetro Piché)
• Factor de corrección:
• Evaporación Real= 0.7 Evaporación de Depósitos
• 0.8 Evaporación Piche= Evaporación del Tanque Flotante

1.2.4 EVAPORACION-Método de cálculo
• Métodos de cálculos:
• Fórmulas Empíricas:
• Fórmula de Meyer • Fórmula de Lugeon

1.2.5 TRANSPIRACION
• Transpiración: pérdida de agua por las plantas.
Este proceso se realiza principalmente por las
estomas o poros de la epidermis del vegetal.
• Instrumentos:
• Lisímetros: báscula cubierta por un área
experimental (suelo-vegetal). Controla el cambio de
peso que cuantifica la pérdida por vapor.
• Potómetro
• Parcelas de experimentación
• Cuanto más seca sea la atmósfera mayor es la
transpiración
• Evaporación de suelos sin cubierta: usa los
lisímetros pero la cubierta es solo suelo
A: Terreno en estudio
B: Balanza
C: Recolección de agua de drenaje
D: Recolección de agua de escorrentía

1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION
• Evapotranspiración: Proceso combinado que se dá para
terrenos con vegetales, comprende:
Evaporación directa (suelo) +Transpiración (plantas)
• Evapotranspiración o Evaporación Potencial (ETP):
Evaporación cuando toda la superficie esta saturada y
no hay restricciones de humedad. (Thornthwaite)
• Evapotranspiración de Referencia (ETo):
Evapotranspiración para un cultivo específico (césped,
maíz, etc)

1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION-Método de cálculo
• Método the Thornthwaite:
: ! "ó$ %& '( )

1.2.6 EVAPOTRANSPIRACION-Método de cálculo
• Método the Hargreaves: Radiación Extraterrestre (mm/día)

1.2.7 INFILTRACION
• Infiltración: Cantidad de agua que penetra a través de los poros del suelo.
• Instrumento de medición:
• Infiltró metro de carga constante (doble anillo)
• Simuladores de lluvia (boquilla

1.2.8 ESCORRENTIA
• Escorrentía: Cantidad de agua que circula sobre la superficie del terreno, es la
precipitación menos la infiltración y retención superficial.
• Aportación de la cuenca se representa en el hidrograma (nivel agua rio-tiempo)
para una misma sección.
• Método de aforo:
• Medir caudales de río, para construir el hidrógrama.
• Relación Sección-pendiente:
información topográfica, marca de avenidas.
• Relación Sección-Velocidad:
sección típica, medir velocidad.
• Sección de control:
Instala un aforador permanente.

1.2.8 ESCORRENTIA-Cálculo
• Método de la Curva N: La lámina de escorrentía está definida como:
y
E: Lámina de escorrentía (mm).
N: Número de curva determinada por tablas (depende tipo, uso de suelo) .
S: Diferencia máxima potencial entre lluvia y escorrentía (mm)
P: Lámina de precipitación (mm)
• .Método de la fórmula Racional

1.2.9 DESCARGA SUBTERRÁNEA
• Infiltración descarga subterráneamente:
• Capa superficial suelo: agua escurre horizontalmente (interflujo)
• Capa profunda suelo: llega hasta el acuífero y migra hacia lagunas, quebradas,
riachuelos y manantiales. (Flujo de base)
• Interflujo es temporal. Aparece y desaparece con la tormenta.
• Flujo de base es estacionario y alimenta en periodos secos los ríos, quebradas,etc.
• Climas húmedos existe descarga de zonas saturadas hacia fuentes de agua.
• Climas áridos las fuentes de agua descargan hacia el sub-suelo
Fuentes de aguas
ganadoras
(efluente)
Fuentes de aguas
perdedoras
(influente)

1.2.9 DESCARGA SUBTERRÁNEA-Flujo de base
• Hidrógrama con un evento de precipitación.
• Separar del flujo total el flujo base y rápido
• Flujo rápido se desvanece después de la
precipitación, con una función de declive
exponencial, esta porción se llama curva de
recesión .
Flujo total Flujo base Flujo rápido

1.2.10 BOMBEO
• Pozos de bombeo extraen el agua
subterránea descargando en otras cuencas.
• Grandes flujos de bombeo para irrigación
deprimen la napa freática y generan más
evaporación.
• Proceso inverso se inyecta agua para
recargar el agua subterránea.

1.3.1 BALANCE HIDROGEOLÓGICO
• Conservación de masa de entradas y salidas de flujos en la cuenca.
Tasa de cambio de almacenamiento = Flujo Entra - Flujo Sale
ΔS: Variación del almacenamiento
P: Precipitación directa sobre la cuenca
Qimp: Flujo importado a la cuenca
Racuif: Recarga subterránea del acuífero
Evt: Evapotranspiración
Ev: Evaporación de espejos de agua
Qqb: Flujo de la quebrada
Qexp: Flujo exportado desde la cuenca
Qbomb: Caudal bombeado desde la cuenca
Dacuif: Descarga subterránea del acuífero

1.3.2 BALANCE HIDROGEOLÓGICO- en el tiempo
• Balance hídrico en estado estable: cuando los flujos de las cuencas no son
alterados por largo tiempo: ∆+ 0
• Balance hídrico en estado inestable: ocurre inmediatamente después se inicia el
bombeo de agua subterránea : -' .' > 0 → ∆+ < 0
• Retorno a un balance hídrico estable: después de un largo tiempo de mantener
-' .' $2 $
• Cuando el bombeo es tan alto el nuevo balance hídrico estable no puede
formarse.
Flujo Entra = Flujo Sale
Reduce el volumen de almacenamiento y el nivel de agua decrece
Nivel de agua se estabiliza, otros flujos se ven afectados en este nuevo equilibrio.

1.3.3 EJERCICIO- Propuesta
• Se tiene un reservorio con una arroyo que lo abastece, una salida en el dique y
una superficie de 2.5 km2. No ha llovido por semanas y el nivel del reservorio ha
bajado con una tasa de 3.0 mm/dia. El promedio de la tasa de evaporación de la
superficie del reservorio es 1.2 mm/día, la descarga de entrada es 10,000 m3/día
y la descarga de salida es 16,000 m3/día. Asumiendo que los unicos flujos
adicionales e importantes son las descargas de entrada y salida de agua
subterránea del reservorio, ¿cual es el cambio neto de descarga de agua
subterránea en el reservorio?

1.3.3 EJERCICIO- Solución
• Flujos de entrada: Descarga de entrada del arroyo (I), descarga neta de agua
subterránea (G).
• Flujos de salida: Descarga de salida del reservorio (G), Evaporación de la
superficie del agua (E).

1.4.1 PROPIEDADES FISICAS DEL AGUA
• Las propiedades físicas del agua están basadas en las interacciones a nivel
molecular
• La molécula de oxígeno esta enlazada a los hidrógenos asimeétricamente (1050)
• Moléculas de agua son polares
• Carga positiva alrededor de los hidrógenos
• Carga negativa alrededor del oxígeno.
• Propiedad disolvente

Densidad y compresibilidad
• Densidad 34 : varía entre 0.998-1 g/cm3 para temperaturas 0 -20 0C.
• Compresibilidad: agua es considerada incompresible, pero tiene compresibilidad.
5: compresibilidad isotérmica del agua
! : incremento de presión
!34: cambio en la densidad por la presión
!6
4: cambio en el volumen por la presión

1.4.2 EJERCICIO
• Calcular la densidad del agua al pie de un pozo de 500m de profundidad.
Asumir 34 1000 78 .9
⁄ y 0 en la parte superior del pozo,
temperatura del agua 10;, compresibilidad térmica del agua 5 4.5
10 ?
.@⁄ .
• Solucion:
• La Presión al pie del pozo:
• La presión en la parte superior del pozo es cero → ! 4.905 10B
.@
⁄
• La variación de densidad es:
• La densidad en la base del pozo:
34 1002.3 78 .9
⁄

Viscosidad
• Es la fricción dentro de un fluido debido a los esfuerzos de atracción entre
moléculas.
• Viscosidad dinámica: E
μ = 1.79×10−3 N·sec/m2 ( 0◦C )
μ = 1.01 × 10−3 N·sec/m2 ( 20◦C )
Unidad: poise=1 g/sec·cm= 10−3 N·sec/m2
• Viscosidad cinemática:&
3: densidad del agua
• Esta resistencia de esfuerzos cortantes internos ocasiona que el agua se resista a
fluir dentro de algunos materiales geológicos.

Tensión superficial y capilaridad
• Tensión superficial: es la atracción entre la superficie del agua con otro cuerpo
debido a la cohesión que tienen las moléculas entre sí por la polaridad.
• La gotas de agua tienden a formar esferas en el aire (cohesión interna)
• En los poros el agua moja el mineral y deja espacios vacíos.
• Una capa de moléculas de agua= 0.1-0.5 µm (10-6 m) es atraído por el mineral, no se mueve
• Espesor capa > 0.1-0.5 µm (10-6 m) no atracción, el agua se mueve
• Capilaridad: debido a la tensión superficial el agua cubre la
superficie del mineral, el agua se tensiona y la presión del
agua es menor a la presión del aire en los poros.
• La atracción en el mineral se hace mayor.
• Se forma una lámina alrededor del grano del mineral
• Los poros se mojan mas allá del nivel de agua.

1.5.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
• Presión del aire varía con el clima en 5%
• Presión al nivel del mar es: 1.013×105 N/m2, 1.0 atm (atmósfera), 1.013 bar, 14.7
lb/in2, 760 mm Hg o 10.33 m.c. de agua.
• Presión atmosférica decrese 15% con la altura (nivel del mar).
• Presión manométrica : Presión en exceso sobre la presión atmosférica
• Presión del agua subterránea se lee en presión manométrica.
• Ejemplo: Presión manométrica= 35,000 N/m2 es equivalente a una presión
absoluta= 1.013×105 N/m2 + 35,000 N/m2 = 1.36×105 N/m2
Presión manométrica= Presión absoluta - Presión atmosférica

1.5.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL MEDIO POROSO
Porosidad y vacíos
• Porosidad: 0<n<1
• Relación de vacíos:
• Relación de vacíos y porosidad:

porosidad primaria y secundaria
• Porosidad Primaria e intergranular: se debe al suelo
o matriz de roca, los poros están conectados en
gran cantidad (arenas, gravas, limos, porosas
areniscas). Alta y baja porosidad (diversidad de
tamaño de los granos de suelo)
• Porosidad Secundaria: se debe a la disolución de
minerales en la roca, fracturas. (rocas cristalinas,
carbonatos)
• Algunos minerales tienen poros internos, cerrados
que no conectan a los poros principales, no forman
parte del volumen de vacios

Tamaño de la partícula
• La distribución de tamaño de la partícula determina tamaño del poro y la facilidad
del agua para moverse a través de él.

Contenido volumétrico y densidad aparente
• Contenido volumétrico de agua %F): Fracción de espacio ocupado por el agua en
un volumen dado de material.
• Densidad seca aparente %3G):
• Densidad total aparente %3H) :
• Densidad de sólidos %3I):

1.6.1 Energía y altura piezométrica
• Agua fluye de un lugar a otro debido a las diferencias de energía mecánica.
• Se mueve de una región mayor energía mecánica hacia una menor.
• Energía mecánica :
• Ecuación de Bernoulli para fluidos incompresibles:
Energía mecánica= E. potencial elástica + E. potencial gravitacional + E. Cinética
P: presión
V: Volumen
M: masa
Z: elevación
v: velocidad

1.6.2 Energía y altura piezométrica
• Energía mecánica por masa de agua :
• Energía mecánica por peso de agua:
• El agua siempre fluye hacia zonas de baja altura piezométrica
P: presión
V: Volumen
M: masa
Z: elevación
v: velocidad
34: densidad del agua
g: gravedad
Nivel piezométrico = Altura de presiones + elevación+ altura de velocidad

1.6.3. HIDROSTÁTICA
• Condición hidrostática se dá en regiones donde no hay movimiento de
agua (velocidad=0) , es decir la altura piezométrica es constante.
• El agua dentro de un pozo sin bombear, lago.
• En la superficie del pozo y lago se cumple: Presión=0, h=Z (altura
piezométrica= elevación).
• La presión varía con la profundidad:

1.7.1. MEDICION DEL NIVEL PIEZOMETRICO EN
POZOS Y PIEZÓMETROS
• El nivel piezométrico en los poros de agua de una
zona saturada se mide con piezómetros .
• Piezómetro: es un tubo de diámetro pequeño
abierto en la parte superior (presión atmosférica) y
ranurado en la parte inferior (ingreso de agua).
• Las medidas son válidas para la zona alrededor de
la zona perforada.
• El pozo es un tubo de mayor diámetro.
• Piezómetros instalados en materiales de baja
conductividad hidráulica no reportan el nivel
hidráulico de la zona (velocidad lenta del flujo).

1.7.2 MEDICION DEL NIVEL PIEZOMETRICO EN
POZOS Y PIEZÓMETROS-Lectores de presiones
• En materiales de baja conductividad hidráulica
usar piezómetros de diámetro pequeño.
• Lectores o traductores de presiones: instrumentos
electrónico o neumáticos que se instalan dentro
de un piezómetro de sección pequeña.
• Lecturas sensibles a la desviación que se produce
en la membrana debido al cambio de presiones
(presión atmosférica-presión de poros).
Z: nivel de instalación
del traducer respecto
del datum

1.7.3 EJEMPLO
• Calcular el nivel piezómetrico o
hidráulico en los piezómetros A y B.
• Presión en la base de los mismos
piezómetros
• El agua subterránea alrededor de
estos piezómetros tiene componente
hacia arriba o hacia abajo.?
• Nota:
• TOC: Cota superior del casing o tubería de
revestimiento del piezómetro.
• BOC: Cota inferior del piezómetro.
• Profundidad del agua medida desde la cota
superior del casing o tubería de revestimiento.

1.7.3 EJEMPLO: Solución
• La altura piezométrica o el nivel piezométrico en cualquier piezómetro es la elevación del
nivel de agua. Estará definida por:
• ℎK 476.93 − 2.18 = 474.75.
• ℎP = 477.67 − 3.44 = 474.23.
• La Presión en la base del piezómetro A se calcula:
• El altura piezométrica de cada piezómetro describe la altura piezométrica del acuífero
ubicado en los alrededores de la base del piezómetro.
• Como ℎK − ℎP , el agua tiende a moverse desde la base del piezómetro A hacia la base
del piezómetro B. Hay una componente del agua subterránea dirigida hacia abajo en los
alrededores de estos piezómetros.
Altura piezométrica= Cota superior del casing – Profundidad del agua.
ℎ = QR − ST$!"! ! ! ( 8T
K = ℎK − UK 38 = 474.75 − 470.92 9810 .9
⁄ = 37, 572 N/m2
P = ℎP − UP 38 = 474.23 − 455.16 9810 .9
⁄ = 187, 077 N/m2

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