Se realiza una prueba de acuífero (o una prueba de bombeo ) para evaluar un acuífero "estimulando" el acuífero mediante un bombeo constante y observando la "respuesta" del acuífero ( reducción ) en los pozos de observación . La prueba de acuíferos es una herramienta común que utilizan los hidrogeólogos para caracterizar un sistema de acuíferos, acuitardos y límites de sistemas de flujo.
Una prueba de slug es una variación de la prueba típica de un acuífero donde se realiza un cambio instantáneo (aumento o disminución) y los efectos se observan en el mismo pozo. Esto se usa a menudo en entornos geotécnicos o de ingeniería para obtener una estimación rápida (minutos en lugar de días) de las propiedades del acuífero inmediatamente alrededor del pozo.
Las pruebas de acuíferos se interpretan típicamente mediante el uso de un modelo analítico de flujo del acuífero (el más fundamental es la solución de Theis) para que coincida con los datos observados en el mundo real, asumiendo luego que los parámetros del modelo idealizado se aplican al acuífero del mundo real. En casos más complejos, se puede usar un modelo numérico para analizar los resultados de una prueba de acuífero, pero agregar complejidad no asegura mejores resultados (ver parsimonia ).
Las pruebas de acuíferos difieren de las pruebas de pozos en que el comportamiento del pozo es principalmente de interés en el segundo, mientras que las características del acuífero se cuantifican en el primero. Las pruebas de acuíferos también utilizan a menudo uno o más pozos de monitoreo , o piezómetros (pozos de observación "puntuales"). Un pozo de monitoreo es simplemente un pozo que no se bombea (pero se usa para monitorear la carga hidráulica en el acuífero ). Por lo general, los pozos de monitoreo y bombeo se examinan en los mismos acuíferos.
Características generales
Por lo general, una prueba de acuífero se realiza bombeando agua de un pozo a un ritmo constante y durante al menos un día, mientras se miden cuidadosamente los niveles de agua en los pozos de monitoreo. Cuando se bombea agua del pozo de bombeo, la presión en el acuífero que alimenta ese pozo disminuye. Esta disminución de la presión se mostrará como reducción (cambio en la carga hidráulica) en un pozo de observación. La reducción disminuye con la distancia radial desde el pozo de bombeo y la reducción aumenta con el tiempo que continúa el bombeo.
Las características del acuífero que son evaluadas por la mayoría de las pruebas de acuíferos son:
- Conductividad hidráulica La tasa de flujo de agua a través de un área de sección transversal unitaria de un acuífero, en un gradiente hidráulico unitario. En unidades estadounidenses, la tasa de flujo está en galones por día por pie cuadrado de área de sección transversal; en unidades SI, la conductividad hidráulica generalmente se expresa en m 3 por día por m 2 . Con frecuencia, las unidades se reducen a metros por día o su equivalente.
- Almacenamiento específico o capacidad de almacenamiento : una medida de la cantidad de agua que un acuífero confinado entregará por un cierto cambio de altura;
- Transmisividad La velocidad a la que el agua se transmite a través del espesor total y la unidad de ancho de un acuífero bajo un gradiente hidráulico unitario. Es igual a la conductividad hidráulica multiplicada por el espesor de un acuífero;
Las características adicionales del acuífero que a veces se evalúan, según el tipo de acuífero, incluyen:
- Rendimiento específico o porosidad drenable: una medida de la cantidad de agua que abandonará un acuífero no confinado cuando esté completamente drenado;
- Coeficiente de fuga: algunos acuíferos están delimitados por acuitardos que lentamente ceden agua al acuífero, proporcionando agua adicional para reducir la extracción;
- La presencia de límites de acuíferos (recarga o sin flujo) y su distancia al pozo bombeado y piezómetros.
Métodos de análisis
Se debe elegir un modelo o solución apropiado para la ecuación del flujo de agua subterránea que se ajuste a los datos observados. Hay muchas opciones diferentes de modelos, según los factores que se consideren importantes, incluidos:
- Acuitardos con fugas,
- flujo no confinado (rendimiento retardado),
- penetración parcial de los pozos de bombeo y monitoreo,
- radio finito del pozo, que puede conducir al almacenamiento del pozo,
- porosidad dual (típicamente en roca fracturada),
- acuíferos anisotrópicos ,
- acuíferos heterogéneos ,
- acuíferos finitos (los efectos de los límites físicos se ven en la prueba), y
- combinaciones de las situaciones anteriores.
Casi todos los métodos de solución de prueba de acuíferos se basan en la solución Theis; se basa en los supuestos más simplificadores. Otros métodos relajan uno o más de los supuestos sobre los que se basa la solución Theis y, por lo tanto, obtienen un resultado más flexible (y más complejo).
Solución transitoria de Theis
La ecuación de Theis fue creada por Charles Vernon Theis (que trabaja para el Servicio Geológico de EE. UU. ) En 1935, [1] a partir de la literatura de transferencia de calor (con la ayuda matemática de CI Lubin), para el flujo radial bidimensional a una fuente puntual en un infinito. , acuífero homogéneo . Es sencillo
donde s es la caída (cambio en la carga hidráulica en un punto desde el comienzo de la prueba), u es un parámetro de tiempo adimensional, Q es la tasa de descarga (bombeo) del pozo (volumen dividido por tiempo, o m³ / s) , T y S son la transmisividad y la capacidad de almacenamiento del acuífero alrededor del pozo (m² / sy sin unidad, respectivamente), r es la distancia desde el pozo de bombeo hasta el punto donde se observó la caída (m), t es el tiempo transcurrido desde el bombeo comenzó (segundos), y W (u) es la "función del pozo" (llamada integral exponencial , E 1 , en la literatura no hidrogeológica). La función del pozo se aproxima por la serie infinita
Por lo general, esta ecuación se usa para encontrar los valores promedio de T y S cerca de un pozo de bombeo , a partir de los datos de extracción recopilados durante una prueba de acuífero. Esta es una forma simple de modelado inverso, ya que el resultado ( s ) se mide en el pozo, r , t , y Q se observan, y los valores de T y S que mejor reproducir los datos medidos se ponen en la ecuación hasta que un mejor Se encuentra un ajuste entre los datos observados y la solución analítica.
La solución Theis se basa en los siguientes supuestos:
- El flujo en el acuífero está adecuadamente descrito por la ley de Darcy (es decir, Re <10).
- acuífero homogéneo, isotrópico, confinado ,
- el pozo es completamente penetrante (abierto a todo el espesor ( b ) del acuífero),
- el pozo tiene radio cero (se aproxima como una línea vertical), por lo tanto, no se puede almacenar agua en el pozo,
- el pozo tiene una tasa de bombeo constante Q,
- la pérdida de carga sobre la pantalla del pozo es insignificante,
- el acuífero es infinito en extensión radial,
- límites superiores e inferiores horizontales (sin pendiente), planos, impermeables (sin fugas) del acuífero,
- el flujo de agua subterránea es horizontal
- sin otros pozos o cambios a largo plazo en los niveles regionales de agua (todos los cambios en la superficie potenciométrica son el resultado del pozo de bombeo solo)
Aunque estos supuestos rara vez se cumplen, dependiendo del grado en que se violen (p. Ej., Si los límites del acuífero están mucho más allá de la parte del acuífero que se analizará mediante la prueba de bombeo), la solución puede ser útil. .
Solución de Thiem en estado estacionario
El flujo radial en estado estacionario a un pozo de bombeo se denomina comúnmente solución de Thiem, [2] surge de la aplicación de la ley de Darcy a los volúmenes de control de la carcasa cilíndrica (es decir, un cilindro con un radio más grande que tiene un cilindro de radio más pequeño cortado de it) sobre el pozo de bombeo; comúnmente se escribe como:
En esta expresión, h 0 es la carga hidráulica de fondo , h 0 - h es la reducción a la distancia radial r desde el pozo de bombeo, Q es la tasa de descarga del pozo de bombeo (en el origen), T es la transmisividad y R es el radio de influencia, o la distancia a la que la cabeza todavía está h 0 . Estas condiciones (flujo en estado estable a un pozo de bombeo sin límites cercanos) nunca ocurren realmente en la naturaleza, pero a menudo se pueden usar como una aproximación a las condiciones reales; la solución se deriva suponiendo que hay un límite de carga constante circular (por ejemplo, un lago o río en pleno contacto con el acuífero) que rodea el pozo de bombeo a una distancia R .
Fuentes de error
Tanto en las pruebas de acuíferos como de pozos es de vital importancia el registro preciso de datos. No solo se deben registrar cuidadosamente los niveles de agua y la hora de la medición, sino que las tasas de bombeo se deben verificar y registrar periódicamente. Un cambio no registrado en la tasa de bombeo de tan solo 2% puede ser engañoso cuando se analizan los datos. [ cita requerida ]
Referencias
- ↑ Theis, Charles V. (1935). "La relación entre el descenso de la superficie piezométrica y la tasa y duración de la descarga de un pozo que utiliza almacenamiento de agua subterránea". Transacciones, American Geophysical Union . 16 (2): 519-524. doi : 10.1029 / TR016i002p00519 . hdl : 2027 / uc1.31210024994400 .
- ^ Thiem, Günther (1906). "Hydrologische methoden" (en alemán). Leipzig: JM Gebhardt: 56. Cite journal requiere
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( ayuda )
Otras lecturas
El Servicio Geológico de EE. UU. Tiene algunas referencias gratuitas muy útiles sobre la interpretación de las pruebas de bombeo:
- Ferris, JG; Knowles, DB; Marrón, RH; Stallman, RW (1962). Teoría de las pruebas de acuíferos (PDF) . Documento sobre suministro de agua 1536-EUS Geological Survey.
- Stallman, RW (1971). "Capítulo B1". Diseño, observación y análisis de datos de pruebas de acuíferos (PDF) . Libro 3, Aplicaciones de la hidráulica. Servicio Geológico de EE. UU.
- Reed, JE (1980). "Capítulo B3". Tipo de curvas para problemas seleccionados de flujo a pozos en acuíferos confinados (PDF) . Libro 3, Aplicaciones de la hidráulica. Servicio Geológico de EE. UU.
- Franke, 0.L .; Reilly, TE; Bennett, GD (1987). "Capítulo B5". Definición de límites y condiciones iniciales en el análisis de sistemas de flujo de agua subterránea saturada: una introducción (PDF) . Libro 3, Aplicaciones de la hidráulica. Servicio Geológico de EE. UU.
Algunas referencias impresas comerciales sobre la interpretación de pruebas de acuíferos:
- Batu, V. (1998). Hidráulica de acuíferos: una guía completa para el análisis de datos hidrogeológicos . Wiley-Interscience. ISBN 0-471-18502-7.
- Buen resumen de los métodos de prueba de acuíferos más populares, bueno para hidrogeólogos en ejercicio
- Dawson, KJ; Istok, JD (1991). Ensayos de acuíferos: diseño y análisis de ensayos de bombeo y slug . Editores de Lewis. ISBN 0-87371-501-2.
- Completo, un poco más matemático que Batu
- Kruseman, GP; de Ridder, NA (1990). Análisis y evaluación de datos de pruebas de bombeo (PDF) (Segunda ed.). Wageningen, Países Bajos: Instituto Internacional para la Recuperación y Mejoramiento de Tierras. ISBN 90-70754-20-7.
- Excelente tratamiento de la mayoría de los métodos de análisis de pruebas de acuíferos (pero es un libro difícil de encontrar).
- Boonstra, J .; Kselik, RAL (2002). SATEM 2002: Software para la evaluación de pruebas de acuíferos . Wageningen, Países Bajos: Instituto Internacional para la Recuperación y Mejoramiento de Tierras. ISBN 90-70754-54-1.
- En línea: [1]
- Sindalovskiy, LN (2011). ANSDIMAT - software para la estimación de parámetros de acuíferos . San Petersburgo, Rusia (en ruso): Nauka. ISBN 978-5-02-025477-0.
- Guía del usuario de ANSDIMAT en línea: [2] .
Se pueden encontrar más títulos de libros en la sección de lectura adicional del artículo de hidrogeología, la mayoría de los cuales contienen material sobre análisis de pruebas de acuíferos o la teoría detrás de estos métodos de prueba.
Software de análisis
- Software de aplicaciones de recursos hídricos del Servicio Geológico de EE. UU.
- Servicios de agua de Schlumberger : software de análisis de datos de pruebas de bombeo y pruebas de babosas
- ANSDIMAT - software comercial avanzado
- AQTESOLV - software comercial estándar
- MLU para Windows LT : software gratuito para pruebas de bombeo y análisis de pruebas de slug en uno o dos sistemas de acuíferos
- VINMOD Multi-Well : análisis de la contaminación del agua subterránea mediante pruebas de bombeo y parámetros de contaminación del agua subterránea bombeada
- Hytool : caja de herramientas de código abierto para bombear y construir interpretación de pruebas en Matlab
- SmartGEO : software comercial avanzado para la caracterización de acuíferos heterogéneos, tomografía hidráulica y pruebas de bombeo múltiple
Ver también
- Supuesto de Dupuit-Forchheimer
- Agua subterránea
- Pozo
- Grupo de LinkedIn sobre análisis de pruebas de bombeo