Prueba de acuífero

En hidrogeología , una prueba de acuífero (o prueba de bombeo ) se realiza para evaluar un acuífero estimulándolo mediante bombeo constante y observando su respuesta ( descenso del nivel freático ) en pozos de observación . Las pruebas de acuífero son una herramienta común que los hidrogeólogos utilizan para caracterizar un sistema de acuíferos, acuitardos y límites de sistemas de flujo.

La prueba de inyección de líquido es una variante de la prueba de acuífero convencional en la que se produce un cambio instantáneo (aumento o disminución) y se observan sus efectos en el mismo pozo. Se utiliza con frecuencia en ingeniería geotécnica para obtener una estimación rápida (en minutos en lugar de días) de las propiedades del acuífero en las inmediaciones del pozo.

Las pruebas de acuíferos suelen interpretarse utilizando un modelo analítico de flujo (siendo la solución de Theis la más fundamental) para ajustarlo a los datos observados en la realidad, asumiendo que los parámetros del modelo idealizado se aplican al acuífero real. En casos más complejos, se puede utilizar un modelo numérico para analizar los resultados de la prueba.

Las pruebas de acuíferos se diferencian de las pruebas de pozos en que, en estas últimas, el principal interés reside en el comportamiento del pozo, mientras que en las primeras se cuantifican las características del acuífero. Las pruebas de acuíferos también suelen utilizar 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 utiliza para monitorear la carga hidráulica del acuífero). Generalmente, los pozos de monitoreo y de bombeo se instalan en los mismos acuíferos.

Generalmente, una prueba de acuífero se realiza bombeando agua de un pozo a un ritmo constante durante al menos un día, mientras se miden cuidadosamente los niveles de agua en los pozos de monitoreo. Al bombear agua del pozo de bombeo, la presión en el acuífero que alimenta dicho pozo disminuye. Esta disminución de presión se manifiesta como un descenso del nivel freático (cambio en la carga hidráulica) en un pozo de observación. El descenso del nivel freático disminuye con la distancia radial desde el pozo de bombeo y aumenta con la duración del bombeo. También se han utilizado pruebas de bombeo de laboratorio para evaluar fórmulas empíricas para estimar la conductividad hidráulica en suelos arenosos, mostrando una buena concordancia con las ecuaciones de Hazen modificadas. ^{[ 1 ]}

Las características del acuífero que se evalúan en la mayoría de las pruebas de acuíferos son:

• Conductividad hidráulica : Tasa de flujo de agua a través de una unidad de área transversal de un acuífero, con una pendiente hidráulica unitaria. En unidades estadounidenses, la tasa de flujo se expresa en galones por día por pie cuadrado de área transversal; en unidades del SI, la conductividad hidráulica se suele indicar en m³ ^por día por m² ^. Las unidades se abrevian frecuentemente a metros por día o su equivalente.
• Almacenamiento específico o capacidad de almacenamiento: una medida de la cantidad de agua que un acuífero confinado liberará ante un determinado cambio de nivel freático;
• Transmisividad La tasa a la que el agua se transmite a través de todo el espesor y ancho unitario de un acuífero bajo un gradiente hidráulico unitario. Es igual a la conductividad hidráulica multiplicada por el espesor de un acuífero;

Otras características del acuífero que a veces se evalúan, dependiendo del tipo de acuífero, incluyen:

• Rendimiento específico o porosidad drenable: una medida de la cantidad de agua que un acuífero no confinado liberará cuando se drene por completo;
• Coeficiente de filtración: algunos acuíferos están delimitados por acuitardos que liberan agua lentamente al acuífero, proporcionando agua adicional para reducir el descenso del nivel freático;
• La presencia de límites de acuíferos (de recarga o de ausencia de flujo) y su distancia al pozo de bombeo y a los piezómetros.

Se debe elegir un modelo o solución apropiada para la ecuación del flujo de agua subterránea que se ajuste a los datos observados. Existen muchas opciones diferentes de modelos, dependiendo de los factores que se consideren importantes, entre ellos:

• acuitardos con fugas,
• flujo no confinado (rendimiento retardado),
• penetración parcial de los pozos de bombeo y monitoreo,
• radio de pozo finito , lo que puede provocar almacenamiento en el pozo,
• doble porosidad (típicamente en roca fracturada),
• acuíferos anisotrópicos ,
• acuíferos heterogéneos ,
• acuíferos finitos (los efectos de los límites físicos se observan en la prueba), y
• combinaciones de las situaciones anteriores.

Casi todos los métodos de análisis de acuíferos se basan en la solución de Theis, que se fundamenta en las suposiciones más simplificadoras. Otros métodos flexibilizan una o más de las suposiciones en las que se basa la solución de Theis, obteniendo así un resultado más flexible (y más complejo).

Solución transitoria de Theis

La ecuación de Theis fue creada por Charles Vernon Theis (trabajando para el Servicio Geológico de los Estados Unidos ) en 1935, ^{[ 2 ]} a partir de la literatura sobre transferencia de calor (con la ayuda matemática de CI Lubin), para el flujo radial bidimensional hacia un sumidero puntual en un acuífero infinito y homogéneo . Es simplemente

${\displaystyle {\begin{aligned}s&={\frac {Q}{4\pi T}}W(u)\\[0.5em]u&={\frac {r^{2}S}{4Tt}}\end{aligned}}}$

donde s es el descenso (cambio en la carga hidráulica en un punto desde el comienzo de la prueba en unidades de distancia), u es un parámetro adimensional, Q es el caudal de descarga (bombeo) del pozo (volumen por unidad de tiempo), T y S son la transmisividad y la capacidad de almacenamiento del acuífero alrededor del pozo (distancia al cuadrado por unidad de tiempo y adimensional, respectivamente), r es la distancia desde el pozo de bombeo hasta el punto donde se observó el descenso, t es el tiempo desde que comenzó el bombeo, y W(u) es la "función del pozo" (llamada función gamma incompleta ,${\displaystyle \Gamma (0,u)}$(en la literatura no hidrogeológica). La función del pozo viene dada por la serie infinita

${\displaystyle {\begin{aligned}W(u)=\Gamma (0,u)=-\gamma -\ln(u)+u-{\frac {u^{2}}{2\times 2!}}+{\frac {u^{3}}{3\times 3!}}-{\frac {u^{4}}{4\times 4!}}+\cdots \end{aligned}}}$

donde γ es la constante de Euler (=0,577216...). Normalmente, esta ecuación se utiliza para hallar los valores promedio de T y S cerca de un pozo de bombeo , a partir de datos de descenso del nivel freático recopilados durante una prueba de acuífero. Se trata de una forma sencilla de modelado inverso, ya que el resultado ( s ) se mide en el pozo, se observan r , t y Q , y se introducen en la ecuación los valores de T y S que mejor reproducen los datos medidos hasta encontrar el mejor ajuste entre los datos observados y la solución analítica.

La solución de Theis se basa en los siguientes supuestos: ^{[ 3 ]}

• El flujo en el acuífero se describe adecuadamente mediante la ley de Darcy (es decir, Re<10).
• acuífero confinado, homogéneo e isotrópico ,
• El pozo penetra completamente (está 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 un caudal de bombeo constante Q,
• La pérdida de carga sobre el filtro del pozo es insignificante.
• El acuífero tiene una extensión radial infinita,
• límites superior e inferior del acuífero horizontales (no inclinados), planos e impermeables (sin fugas),
• El flujo de agua subterránea es horizontal.
• No existen otros pozos ni cambios a largo plazo en los niveles de agua regionales (todos los cambios en la superficie potenciométrica son el resultado únicamente del pozo de bombeo).

Aunque rara vez se cumplen todas estas suposiciones, dependiendo del grado en que se infrinjan (por ejemplo, si los límites del acuífero se extienden mucho más allá de la parte del acuífero que se analizará mediante la prueba de bombeo), la solución aún puede resultar útil.

En las pruebas de acuíferos y pozos, es fundamental registrar con precisión los datos. No solo se deben registrar cuidadosamente los niveles de agua y la hora de la medición, sino que también se deben verificar y registrar periódicamente los caudales de bombeo. Un cambio no registrado en el caudal de bombeo, incluso de tan solo un 2 %, puede resultar engañoso al analizar los datos.

El Servicio Geológico de los Estados Unidos (US Geological Survey) dispone de algunas referencias gratuitas muy útiles sobre la interpretación de pruebas de bombeo:

• Ferris, JG; Knowles, DB; Brown, RH; Stallman, RW (1962). Teoría de las pruebas de acuíferos (PDF) . Documento de suministro de agua 1536-Servicio Geológico de EE. UU.
• 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 los Estados Unidos.
• Reed, JE (1980). "Capítulo B3". Curvas tipo para problemas seleccionados de flujo hacia pozos en acuíferos confinados (PDF) . Libro 3, Aplicaciones de la hidráulica. Servicio Geológico de los Estados Unidos.
• Franke, O.L.; Reilly, T.E.; Bennett, G.D. (1987). «Capítulo B5». Definición de condiciones iniciales y de contorno en el análisis de sistemas de flujo de agua subterránea saturada: una introducción (PDF) . Libro 3, Aplicaciones de la hidráulica. Servicio Geológico de los Estados Unidos.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )

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 análisis de acuíferos más populares, útil para hidrogeólogos en ejercicio.
• Dawson, KJ; Istok, JD (1991). Pruebas de acuíferos: diseño y análisis de pruebas de bombeo y de inyección . Lewis Publishers. ISBN 0-87371-501-2.
  • Minucioso, un poco más matemático que Batu.
• Kruseman, GP; de Ridder, NA (1990). Análisis y evaluación de datos de pruebas de bombeo (PDF) (Segunda  edición). Wageningen, Países Bajos: Instituto Internacional para la Recuperación y Mejora de Tierras. ISBN 90-70754-20-7.
  • Excelente análisis de la mayoría de los métodos de análisis de pruebas de acuíferos (aunque 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 Mejora de Tierras. ISBN 90-70754-54-1.
  • En línea  :
• 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  :.

En la sección de lecturas recomendadas del artículo sobre hidrogeología se pueden encontrar más títulos de libros , la mayoría de los cuales contienen información sobre el análisis de pruebas de acuíferos o la teoría que sustenta estos métodos de prueba.

• Software de aplicaciones para recursos hídricos del Servicio Geológico de los Estados Unidos.
• Software de análisis de datos para pruebas de bombeo y pruebas de nivel de agua de Schlumberger Water Services
• ANSDIMAT – software comercial avanzado
• AQTESOLV – software comercial estándar
• MLU para Windows LT : software gratuito para el análisis de pruebas de bombeo y pruebas de flujo en sistemas de uno o dos acuíferos.
• VINMOD Multi-Well : análisis de la contaminación de aguas subterráneas mediante pruebas de bombeo y parámetros de contaminación a partir de muestras de agua subterránea bombeadas.
• Hytool : conjunto de herramientas de código abierto para la interpretación de pruebas de bombeo y acumulación en Matlab.
• SmartGEO : software comercial avanzado para la caracterización de acuíferos heterogéneos, tomografía hidráulica y pruebas de bombeo múltiples.

• Supuesto de Dupuit-Forchheimer
• aguas subterráneas
• pozo de agua