5.2 Hidráulica del Flujo en Acuíferos No Confinados
El flujo de aguas subterráneas en acuíferos no confinados obedece los mismos principios que el flujo en acuíferos confinados, con un elemento adicional: la elevación de la parte superior de la zona saturada define el nivel freático, que es la elevación del agua en un pozo ranurado lo suficientemente profundo como para encontrar agua estancada. Un contorno equipotencial conecta puntos de igual carga hidráulica. El nivel freático en sí no es una línea equipotencial; tiene una carga variable porque varía en elevación.
Figura 21 – Contornos equipotenciales en un acuífero no confinado; las líneas de contorno conectan puntos de igual carga hidráulica y se extienden hasta el nivel freático de la misma elevación (Cohen y Cherry, 2020).A escala de campo, la carga hidráulica puede medirse utilizando pozos. La sección transversal para este problema muestra un acuífero no confinado superior, un acuitardo de arcilla, y un acuífero confinado inferior. Cuerpos de agua superficial en ambos extremos actúan como fronteras de carga constante. En la práctica, el flujo horizontal en acuíferos no confinados a menudo se aproxima como puramente horizontal, y el nivel freático puede aproximarse como una superficie planar cuando se evalúa lejos de las condiciones de frontera (ver Figura 25).
Figura 25 – Nivel freático representado como una superficie planar con flujo predominantemente horizontal a lo largo de la sección transversal (Cohen y Cherry, 2020).Problema de Ejemplo 9
Estima el nivel de agua en cada pozo y determina si existe flujo vertical a través del acuitardo de arcilla. Considera un sistema en el que un acuífero confinado horizontal debajo de una capa de arcilla está delimitado en ambos lados por fronteras de carga constante, que corresponden a las elevaciones del nivel de agua en los cuerpos de agua no confinados a la izquierda y a la derecha.
Ejercicio interactivo
Ejercicio 9: Flujo Horizontal y Acuíferos Múltiples
Estima los niveles de agua, determina el flujo vertical y experimenta con las fronteras constantes.
Paso 1: Estimar Niveles y Determinar Flujo Vertical
Considera un acuífero no confinado sobre un acuitardo de arcilla, y un acuífero confinado debajo. El sistema está flanqueado por cuerpos de agua (54 m a la izquierda, 50 m a la derecha). Asumiendo una disminución lineal del nivel freático, estima el nivel en cada pozo (Izquierdo, Centro, Derecho) y determina si hay flujo vertical a través de la arcilla.
Pista conceptual
Si el nivel freático disminuye linealmente de 54 m a 50 m, ¿cuáles son las cargas a 1/4, 1/2 y 3/4 de la distancia? Ahora compara esos valores con las cargas en el acuífero confinado inferior — ambos comparten las mismas fronteras de carga constante. Si la carga es igual arriba y abajo de la arcilla en cada ubicación, ¿hay gradiente vertical?
Simulación visual
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Solución del Problema 9
Paso 1: Como aproximación, supón que el nivel freático disminuye linealmente. Por interpolación lineal, el nivel de agua en el centro es de 52 m. El pozo de la derecha se encuentra a la mitad de la distancia desde el lado derecho hasta el centro, por lo que el nivel de agua es de 51 m. De manera similar, la elevación del nivel freático en la ubicación del pozo de la izquierda es de 53 m.
Paso 2: El acuífero confinado horizontal debajo de la arcilla está delimitado en ambos lados por fronteras de carga constante, cuyos valores corresponden a la elevación del nivel de agua en cada cuerpo de agua. El flujo es horizontal debido a la geometría del acuífero confinado y la posición de las fronteras (en cada extremo).
Paso 3: El medio es homogéneo, por lo que el gradiente es constante, lo que significa que el espaciado entre las líneas equipotenciales es constante. El espaciado entre las líneas y sus valores se determinan mediante interpolación lineal.
Paso 4: El pozo en el lado izquierdo está ranurado en el acuífero confinado, donde la carga hidráulica es de 53 m. En esta misma ubicación, la elevación del nivel freático también es de 53 m. Hemos simplificado asumiendo una disminución lineal del nivel freático. Debido a que estamos asumiendo un gradiente lineal tanto en el acuífero confinado como en el no confinado, la carga hidráulica en cada ubicación será la misma arriba y abajo de la arcilla. Como resultado, no hay gradiente vertical y, por lo tanto, no hay flujo vertical a través de la arcilla.
Conexiones Conceptuales
- Compara este ejercicio con el Ejercicio 7, que también analiza el flujo vertical a través de una capa de baja K — pero en un sistema lago-sedimento-acuífero. La diferencia clave: en el Ejercicio 7, el acuífero confinado y el lago tienen cargas de frontera diferentes, creando un gradiente vertical. En el Ejercicio 9, ambos acuíferos comparten las mismas cargas de frontera, por lo que el gradiente vertical es cero.
- Compara con el Ejercicio 12, donde ocurre flujo ascendente a través de un acuitardo de arcilla. En el Ejercicio 12, la carga potenciométrica en el acuífero confinado inferior (40 m) supera el nivel freático en el acuífero libre superior (~38 m), creando un gradiente vertical ascendente. El Ejercicio 9 representa el caso especial donde las cargas están perfectamente equilibradas.
- La condición de flujo vertical cero a través de un acuitardo requiere que la carga hidráulica arriba sea igual a la carga hidráulica abajo en cada posición horizontal. Este es un escenario idealizado; en acuíferos reales, pequeñas diferencias en las condiciones de frontera, heterogeneidad, o recarga/descarga crean gradientes verticales pequeños pero no nulos.
- Este ejercicio ilustra por qué los pozos anidados o multipuerto son esenciales para la caracterización hidrogeológica: sin medir la carga a múltiples profundidades, uno podría asumir incorrectamente que existe flujo vertical basándose únicamente en mediciones del nivel freático.