Módulo II: El Acuífero

 

ASPECTOS BÁSICOS

I.- Ciencias y Ramas que complementan el estudio del Agua:

Naturaleza: Física, Mecánica, Mecánica de Sólidos, Mecánica de Fluidos, Hidráulica, Hidrología. Matemáticas, Química, Geología, Geofísica.

Origen de la Tierra

Se sabe que el planeta Tierra se formó hace 4.500 millones de años. La teoría más aceptada acerca del origen de la Tierra es la de los planetesimales. En su origen, la temperatura de la Tierra era muy alta y con numerosos impactos de meteoritos y otros cuerpos celestes, también se producían en su superficie muchas explosiones y erupciones volcánicas que expulsaron a la atmósfera, entre otras cosas, vapor de agua. 

Los procesos de generación del agua y del oxígeno molecular en la Tierra son los principales responsables de la amplia variedad de formas en la que se manifiesta la vida hoy en día. Estas dos sustancias son los principales reactivos metabólicos de los organismos vivos en todos sus niveles de organización y complejidad. El agua es necesaria para la formación y combinación de las diferentes moléculas inorgánicas y orgánicas que dieron origen a los coacervados, los cuales posteriormente originaron las primeras células, a partir de las que se desarrollaron todas las demás formas de vida. La existencia de agua líquida, pues, es condición necesaria para que aparezca la vida.  

El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza principalmente en los océanos donde se concentra el 96,5% del agua total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1,74%, los depósitos subterráneos (acuíferos), los permafrost y los glaciares continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04% se reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos.

Núcleo, Magma y Corteza Terrestre.

Cuando la Tierra primitiva se fue enfriando, esto permitió que el vapor de agua presente en la atmósfera primitiva se condensara y se produjeran las primeras lluvias, lo que dio lugar a la formación de los océanos. Todo esto se supone que ocurrió hace aproximadamente 4.000 millones de años. Ahora se sabe que la Tierra es el único planeta que presenta agua en estado líquido.

Según la Teoría de las Placas a la Deriva, se refiere a la hipótesis del Alemán Alfred Wegener (1915), como se formaron los Océanos y Continentes y que el choque entre ellas, forman las grandes Cordilleras, y origina los sismos.

Sonora, sus Sierras y Montañas

El Estado de Sonora cuenta con una superficie territorial de 184 mil 934 km², forma parte de los Estados Unidos Mexicanos, y se encuentra ubicado en su lado Noroeste y ocupa el segundo lugar en extensión de entre todas las entidades federativas de la República, con una porción de 9.2 del total de la superficie.

La parte oeste de la entidad es una extensa planicie, ancha en el norte y angosta en el sur, donde podemos encontrar pequeñas serranías, como la sierra de Sonoyta y el famoso volcán El Pinacate en el norte. En el sur están las sierras Seri, Bacatete y Álamos, de menor altitud, y extensos valles como el Yaqui y el Mayo. 

Finalmente, también forma parte del relieve de Sonora la llanura costera, que es la parte más baja, y que se extiende a lo largo del Golfo de California, donde desembocan los ríos. Sonora tiene una longitud de costa de 1,209 km.

Su situación geográfica, se sitúa entre los 32° 29' Norte y 26° 14' Sur en su latitud Norte y entre los 108° 26' Este y 105° 02' Oeste en su latitud Oeste del meridiano de Greenwich. Tiene por límites al Norte con Estados Unidos de América, al Sur con el Estado de Sinaloa, al Este con Chihuahua y al Oeste con el Golfo de California y Baja California. Su fisiografía está constituida en su mayoría por llanuras y sierras el territorio en ancho en su parte septentrional y se va angostando poco a poco en su dirección al sur. 

En los límites con el estado de Chihuahua principia la región montañosa de la Sierra Madre Occidental, la cual recibe diversos nombres a su paso por las tierras sonorenses: 

• Cerro Pico Guacamayas 2,620msnm.
• Sierra San José 2,540msnm.
• Sierra La Charola 2,520msnm. 
• Sierra Los Ajos 2,620msnm., en ella se encuentra el cerro más alto de la entidad que se llama Picachos. 
• Sierra de Cananea, es famosa por su gran mina de cobre. 
• Sierra de Aconchi, se extiende desde el municipio de Nogales hasta el de Ures. 
• Sierra de Nacozari, cercana a la población del mismo nombre. 
• Sierra de Teras o de Madera, pasa por Bavispe. 
• Sierra Huachinera está ubicada ente los municipios de Bavispe y Bacerac, en los límites con Chihuahua. 
• Sierra de Sahuaripa, llamada así porque atraviesa la población del mismo.

Definición y origen del Agua. 

El Agua (del latín aqua) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrogeno y uno de oxígeno (H2O). Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El término agua generalmente se refiere a la sustancia en su estado líquido, aunque la misma puede hallarse en su forma sólida llamada hielo, y en su forma gaseosa denominada vapor.

De los primeros datos que se tienen del agua se remontan a los tiempos del filósofo y científico griego Tales de Mileto (624 a.C., 548 a.C.) que en su época trababan de definir de que estaba compuesta la materia. Él propuso que, la materia básica o elemento, que formaba todas las cosas del Universo era el agua. Hasta el año 1766, el físico y químico británico, Henry Cavendish descubrió las propiedades del hidrógeno y con esto llegó a la conclusión de su trabajo más famoso, que fue el descubrimiento de la composición del agua y afirmaba que este era un compuesto. Más tarde Antoine Laurent de Lavoisier da a conocer que el agua estaba constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Posteriormente Joseph Louis Gay-Lussac y Alexander von Humboldt demostraban que el agua estaba formada por dos volúmenes de hidrógeno por cada volumen de oxígeno. 

Propiedades físicas del Agua

La manera como se comporta el agua en las diversas condiciones encontradas en la práctica depende principalmente de sus propiedades químicas y físicas fundamentales. Estas son controladas en realidad por la estructura molecular del agua y por su energía interna.

    1) Estado físico: sólida, liquida y gaseosa.

    2) Color: incolora. En capas de poco grosor es transparente, mientras va creciendo el                 grosor toma un color azul.

    3) Sabor: insípida.

    4) Olor: inodoro.

    5) Densidad: 1 g /cm3.

    6) Punto de congelación: 0°C.

    7) Punto de ebullición: 100°C.

    8) Presión crítica: 217,5 atm.

    9) Temperatura crítica: 374°C.

Propiedades químicas del Agua

Algunas características químicas del agua son:

    1) Reacciona con los óxidos ácidos y básicos, formando hidróxidos. 

    2) Reacciona con los metales, sobre todo con los halógenos.

    3) Reacciona con los no metales.

    4) Se une en las sales formando hidratos.

    5) El agua es un dipolo, el oxígeno presenta una ligera carga negativa y los hidrógenos carga positiva.

    6) Es un disolvente universal.

Diagramas de fase del Agua

El agua puede encontrarse en los tres diferentes estados de la materia, solido, líquido y gaseoso. Además pueden convivir dos estados de la materia, esto dependerá de las diferentes presiones y temperaturas a las que se encuentre.

El en el siguiente diagrama se muestran las diferentes fronteras entre los estados que puede presentar el agua. En el eje de las abscisas se muestra el incremento de la temperatura y en el de las ordenadas el de la presión.

Fuente: http://notaculturaldeldia.blogspot.mx/2012/02/diagrama-de-fase-del-agua-hielo-agua.html, 2012.

Cuando el agua pasa de líquido a solido (hielo), se le conoce como solidificación y al proceso inverso, cuando es de solido a líquido, se le conoce como fusión. Cuando pasa de líquido a gaseoso (vapor), se le conoce como evaporación, el proceso inverso es condensación. Y al proceso que consiste en el cambio de sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido se le conoce como sublimación, su parte opuesta se le denomina sublimación inversa.

En el punto triple se pueden tener los tres estados de la materia, es el punto de equilibrio entre la parte sólida, líquida y gaseosa. El punto crítico es cuando la materia se presenta propiedades de un líquido y de un gas, al mismo tiempo. 

PROPIEDADES DE LOS ACUÍFEROS

 

Propiedades del fluido    

Densidad (ρ) (rho)

Se llama densidad a la masa de agua en un volumen unitario. Su magnitud depende del número de moléculas de agua que ocupan el espacio de u volumen unitario. Esto, naturalmente, se determina por el tamaño de las moléculas y por la estructura con que están enlazadas. Esta última como ya se sabe, depende de la temperatura y de la presión. Debido a la peculiar estructura molecular del agua y el cambio en dicha estructura molecular cuando el agua toma forma sólida, es una de las pocas sustancias que se expanden al congelarse. La expansión del agua al congelarse cuando está en un recipiente rígido causa esfuerzos en el mismo.

Estos esfuerzos originan el intenperismo de las rocas, y puede dañar tuberías o estructuras si no se consideran sus efectos sin hacer los diseños.

El agua alcanza su máxima densidad cerca del punto de congelación a 3.98°C 

En unidades gravitacionales de ingeniería, se tiene: 

ρ=w/g ó w= ρg

Como se sabe, se llama densidad media de una sustancia cualquiera a su masa por unidad de volumen:

   ρ = m/v. 

Sus unidades se dan en gramos por centímetros cúbicos o mil kilos por metro cúbico.

Peso específico (γ)

Se define como el peso de la unidad de volumen de una sustancia.  γ= w/v

El peso específico del agua será de 1 gf/cm3o de 1000 kgf/ m3. ------ γ = ρ.g 

Viscosidad dinámica (µ) (mu)

Quizá la mas importante propiedad física del agua sea su resistencia cortante o deformación angular. La medida de la resistencia de un fluido a dicho movimiento relativo se conoce como viscosidad. También se define como la capacidad de un fluido para convertir energía cinética , o sea energía de movimiento, a energía calorífica.

Un fluido perfecto no tendría viscosidad. No hay fluidos perfectos; pero os gases tienen menos variación de viscosidad que los líquidos. El agua es uno de líquidos menos viscosos.

La viscosidad de los líquidos disminuye al elevarse la temperatura, mientras que la de los gases se incrementa al aumentar la temperatura.

Las dimensiones físicas de la viscosidad dinámica = kg.seg/m2.

Viscosidad cinemática (ν) (nu).

Es la razón de su viscosidad dinámica de un fluido a su densidad de masa.  

ν= µ/ ρ   ---------------- m2/s.

Propiedades del medio

Permeabilidad intrínseca (Ki)

La determinación del coeficiente de permeabilidad se puede hacer mediante cualquiera de los siguientes métodos.

Métodos directos:

    a).- Permeámetros de carga directa

    b).- Permeámetro de caga variable

   c).- Pruebas directas de campo. (Pruebas con presión, Pruebas por gravedad, Pruebas de           bombeo de pozos, Prueba Lefranc, Prueba Lugeon)

Métodos Indirectos

    a).- Cálculo a partir de la distribución granulométrica

    b).- Cálculo a partir de la prueba de consolidación

    c).- Prueba de capilaridad horizontal

Ley de Darcy

Esta Ley se puede explicar simplemente como:  V = Ki

La cual nos dice que la velocidad, es proporcional al gradiente hidráulico, por la permeabilidad.

CONCEPTOS:

Propiedades del medio y del fluido

Transmisión de agua: 

• Conductividad hidráulica (K) 
• Transmisividad (T) = k.b

Almacenamiento de agua:

• Porosidad (n)
• Rendimiento específico (Sy) y  retención específica (Sr)
• Coeficiente de almacenamiento (S)

Transmisividad o transmisibilidad (T)

Medida de cuánta agua puede ser transmitida horizontalmente a través del ancho unitario de un acuífero bajo un gradiente hidráulico unitario:

 

T=K*b

Donde:

T = transmisividad (m²/s)

K = conductividad hidráulica (m/s)

b = espesor saturado del acuífero (m)

 

MATERIAL	CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA (cm/s)
Arcilla	10-9 - 10-6
Limo, limos arenosos, arenas arcillosas, till*	10-6 - 10-4
Arenas limosas, arenas finas	10-5 - 10-3
Arenas bien clasificadas, acarreo fluvio-glaciar	10-3 - 10-1
Grava bien clasificada	10-2 - 1

 

•  till = depósito glaciar caótico (carece de orden, selección granulométrica y estratificación)

1 darcy = 0.987 X 10^-8 cm²

Fuente: Fetter

La T varía con el espesor.

Propiedades del medio y del fluido

• Transmisión de agua
• Conductividad hidráulica
• Transmisividad
• Conductividad hidráulica (K). También llamada permeabilidad.

Resistencia al flujo del agua subterránea causada por efectos del medio poroso y del fluido. 

Depende de la forma, acomodo y distribución granulométrica de las partículas y del grado de compactación o cementación. 

Tiene unidades de velocidad (m/s). 

• Almacenamiento de agua
• Porosidad 
• Rendimiento específico y retención específica  
• Coeficiente de almacenamiento
• Porosidad (n). Cantidad de aire o espacios vacíos entre partículas de suelo o roca. En estos vacíos ocurre la infiltración, el movimiento y el almacenamiento de agua subterránea: 

Donde:

n = porosidad (adimensional, %)

Vv = volumen de vacíos (cm3)

Vs = volumen de sólidos (cm3)

Vt = volumen total material (cm3)

Ejemplo: determinar la “n” de una muestra de suelo

Procedimiento:

-Tomar una muestra de suelo de volumen conocido (Vt  = 350 mL)

-Vaciar agua hasta el tope de la muestra (Vv = 90 mL)

La porosidad será el volumen de agua vertido entre el volumen total del material:

n = 47.65%            n = 25.95%           

 

   

DEPÓSITOS NO CONSOLIDADOS (sedimentos)	n (%)
Grava	25-40
Arena	25-50
Limo	35-50
Arcilla	40-70
DEPÓSITOS CONSOLIDADOS (rocas)
Basalto fracturado	5-50
Caliza cárstica	5-50
Arenisca	5-30
Caliza, dolomía	0-20
Lutita	0-10
Roca cristalina fracturada	0-10
Roca cristalina densa	0-5

Diversos tipos de Porosidad

A.- Depósito de material sedimentario bien arreglado y distribuido, que tiene ALTA POROSIDAD.

B.- Depósito de material mal arreglado y de BAJA POROSIDAD.

C.- Similar al material A, pero que consiste en guijarros y gravas gruesas por sí mismas porosas y por lo que la porosidad del depósito es muy ALTA.

D.- También similar al material A, pero en la que la porosidad ha sido disminuida por el depósito de material mineral en los intersticios.

E.- Rocas que se volvieron porosas por solución.

F.-rocas con porosidad adquiridas por fracturación.

Tabla de Porosidad y Permeabilidad de las Rocas (de más a menos).

Rendimiento y retención específica

• Rendimiento específico (Sy). 

Relación entre el volumen de agua que drena de una roca saturada por acción de la gravedad y el 

volumen total de la roca. 

Se le conoce como “porosidad eficaz”.

• Retención específica (Sr). 

Relación entre el volumen de agua retenido contra la acción de la gravedad y el volumen total de la roca.

Coeficiente de almacenamiento (S). Volumen de agua que un acuífero libera o toma en almacenamiento por una superficie de área unitaria cuando la carga hidráulica cambia una unidad: 

También el Medio se clasifica en:

• Isótropo: Cuando sus propiedades no dependen de la dirección según la cual ellas son medidas. Es decir, cuando una propiedad tiene el mismo valor independiente de la dirección .
• Anisótropo: Cuando las propiedades varían con la dirección. 
• Homogéneo: Que está formado por elementos con características comunes referida a su clase o naturaleza. Que es igual para los diversos elementos que forman un determinado grupo o conjunto.
• Heterogéneo: Que está formado por elementos de distinta clase o naturaleza. Que es diferente para los diversos elementos que forman un determinado grupo o conjunto, por ejemplo: una mezcla de sólidos, líquidos o gases.