Flujo de Agua en Medios Porosos: Ley de Darcy, Acuíferos y Relaciones Río-Acuífero

Relación entre la Velocidad del Agua, la Porosidad y la Velocidad de Darcy

La ley de Darcy permite obtener la velocidad del flujo de agua a través de un medio poroso saturado. Esta velocidad es proporcional al gradiente de alturas piezométricas, con un coeficiente de proporcionalidad llamado permeabilidad (k).

Aplicación del Método de Superposición en Acuíferos

El método de superposición puede aplicarse en un acuífero confinado si la ecuación de Laplace es lineal, si las condiciones de contorno son lineales y si el nivel piezométrico se encuentra en un punto con múltiples pozos a distancia 𝑟𝑖. En acuíferos no infinitos, la superposición no es válida (los contornos hidrológicos introducen perturbaciones). Algunas perturbaciones pueden ser obviadas con el método de las imágenes:

• Líneas piezométricas fijas: eje de asimetría.
• Límite impermeable: eje de simetría.

Influencia del Tamaño y Volumen del Poro en la Permeabilidad del Suelo

La permeabilidad es la facilidad para el movimiento del agua. El tamaño de poro se refiere a las dimensiones de los poros, mientras que el volumen de poros es el volumen total de poros en el suelo. La permeabilidad depende principalmente del tamaño de poro. Un gran volumen de poros no garantiza una alta permeabilidad si las dimensiones de los poros son pequeñas, ya que esto puede provocar la formación de meniscos que dificultan el movimiento del agua. Un mayor tamaño de poro facilita el movimiento del agua al evitar la formación de meniscos.

Influencia de la Permeabilidad en el Caudal Evacuado bajo una Presa de Hormigón

En un problema de flujo subterráneo constante bajo una presa de hormigón, la permeabilidad del medio influye significativamente en el caudal evacuado. La ley de Darcy describe este flujo:

Q = -KA(dh/dx)

Donde:

• Q: Caudal
• K: Permeabilidad
• A: Área de la sección transversal
• dh/dx: Gradiente hidráulico

El término kA se conoce como conductividad hidráulica. La relación entre el caudal evacuado (Q) y la permeabilidad (k) es lineal y directamente proporcional. Matemáticamente:

Q ∝ k

En resumen, a mayor permeabilidad, mayor será el caudal evacuado.

Relación Río-Acuífero en el Caso de un Río Colgado

Un río colgado es un cuerpo de agua superficial que fluye hacia una depresión sin una salida clara. El agua se infiltra en el subsuelo o se evapora. La relación entre un río colgado y un acuífero depende de las condiciones geológicas e hidrogeológicas.

Un río colgado se asemeja más a un río influyente que a un río efluyente:

• Río influyente: Contribuye a la recarga de un acuífero. Parte del agua del río se infiltra y aumenta el nivel de agua subterránea.
• Río efluyente: Se alimenta de agua subterránea. El río obtiene su agua de un acuífero.

En un río colgado, el agua se infiltra en el acuífero subyacente, similar a un río influyente. Sin embargo, la dinámica exacta depende de la geología y las características hidrogeológicas locales.

Definiciones Clave en Hidrogeología

• Estrato impermeable: Estrato con permeabilidad muy reducida.
• Zona saturada: Zona donde el agua se encuentra a una presión superior a la atmosférica y se mueve según la ley de Darcy.
• Zona de aireación: Zona donde el agua se encuentra a una presión menor que la atmosférica debido a la succión capilar.
• Zona radicular: Contiene las raíces de las plantas.
• Zona de transmisión: Transmite el agua hacia zonas inferiores.
• Zona capilar: Se encuentra saturada y mantiene presiones negativas debido a la succión de las capas superiores.
• Nivel freático: Superficie de separación entre la zona saturada y la zona de aireación.

Tipos de Relaciones entre un Río y un Acuífero

• Río efluyente o ganador: El nivel del río está por debajo del nivel del acuífero. El flujo es del acuífero al río.
• Río influyente o perdedor: El nivel del río está por encima del acuífero. El flujo es del río al acuífero. El caudal que se filtra depende de la diferencia de alturas (ΔH) y de la permeabilidad (k). Puede producirse una desconexión hidráulica donde el caudal no aumenta aunque aumente ΔH.
• Río colgado: El nivel freático está desconectado hidráulicamente del río. El agua se mueve por gravedad (ΔH - Δz). El caudal (q) depende de la permeabilidad (k).
• Mixto: Se comporta como influyente tras episodios de crecidas (almacenamiento en riberas) y como efluyente con el tiempo.

Diferencias entre Acuífero Libre y Acuífero Confinado

Un acuífero es una formación geológica de alta permeabilidad.

• Acuífero confinado: Tiene una capa impermeable superior que impide el contacto directo del agua con el aire.
• Acuífero libre: Existe un nivel freático (NF) por encima del cual el agua está en contacto con la presión atmosférica. Tiene mayor capacidad de almacenamiento y mayor superficie de recarga.

Un acuífero costero está influenciado por la interacción entre agua dulce subterránea y agua salina del océano. La liberación del caudal de un acuífero costero puede tener consecuencias como la intrusión salina, impactos en ecosistemas acuáticos, cambios en la calidad del agua, afectación de la infraestructura costera y la disponibilidad de agua dulce. La gestión cuidadosa es crucial para evitar impactos negativos.

Río colgado: Caso especial de acuífero libre en el que el nivel freático se halla desconectado hidráulicamente del río (por debajo del nivel del río). Si no hay un acuífero cerca, las líneas de corriente se vuelven verticales. A partir de cierta profundidad, todas las líneas son verticales y paralelas. Si el nivel freático se encuentra por debajo de esta profundidad, es la fuerza de gravedad la que actúa y el caudal ya no aumenta. El caudal infiltrado de un río colgado depende de la profundidad del acuífero, el nivel del río, la permeabilidad, la transmisividad, y el ancho de la columna de infiltración.

Condiciones de Linealidad en el Flujo en Acuíferos

Las condiciones de linealidad (superposición de soluciones) se cumplen de modo exacto o aproximado en el flujo estacionario en acuíferos confinados, homogéneos e isótropos (se puede aplicar el método de las imágenes).

Variables que Cambian con la Variación del Volumen de Agua Almacenada en Acuíferos

Las variables que varían con el cambio de volumen del agua almacenada son:

• Saturación: (Volumen de agua / Volumen de huecos)
• Porosidad: (Volumen de huecos / Volumen total)
• Humedad: (Masa de agua / Masa total)

Parámetros que caracterizan cada mecanismo:

• Acuíferos confinados: Almacenamiento específico y coeficiente de almacenamiento.
• Acuíferos libres: Caudal específico aparente (Sya).

Fenómeno de Intrusión Salina

La intrusión salina se produce por el contacto entre agua dulce y agua salada. La zona de mezcla tiene un espesor pequeño, a pesar de que son inmiscibles. El agua de mar, más densa, tiende a invadir el acuífero en profundidad, formando una cuña. Es necesario mantener la posición de la cuña fija, ya que si el caudal de abastecimiento disminuye, la cuña aumenta y contamina el agua dulce. Se debe asegurar el caudal de abastecimiento, por ejemplo, mediante la construcción de canales.

Relación entre la Velocidad de las Moléculas de Agua y la Velocidad de Darcy

La velocidad de Darcy siempre es menor que la velocidad real del agua. A escala microscópica, el agua en un medio poroso se mueve a velocidades variables según el tamaño y la orientación de los poros. Darcy considera que el flujo se realiza a través de toda la sección (q = Q/A), mientras que en realidad, el agua solo se desplaza a través de los poros.