Almacenamiento específico

En el campo de la hidrogeología , las propiedades de almacenamiento son propiedades físicas que caracterizan la capacidad de un acuífero para liberar agua subterránea . Estas propiedades son la capacidad de almacenamiento (S) , el almacenamiento específico (Ss) y el rendimiento específico (Sy). Según Groundwater , de Freeze y Cherry (1979), el almacenamiento específico, [m ⁻¹ ], de un acuífero saturado se define como el volumen de agua que una unidad de volumen del acuífero libera del almacenamiento bajo una disminución unitaria de la carga hidráulica. ^[1] ${\displaystyle S_{s}}$

A menudo se determinan mediante una combinación de pruebas de campo (por ejemplo, pruebas de acuíferos ) y pruebas de laboratorio sobre muestras de material de acuíferos. Recientemente, estas propiedades también se han determinado utilizando datos de teledetección derivados del radar de apertura sintética interferométrico . ^{[2] [3]}

Almacenabilidad

Definición

La capacidad de almacenamiento o coeficiente de almacenamiento es el volumen de agua liberada del almacenamiento por unidad de disminución de la carga hidráulica en el acuífero, por unidad de área del acuífero. La capacidad de almacenamiento es una cantidad adimensional y siempre es mayor que 0.

${\displaystyle S={\frac {dV_{w}}{dh}}{\frac {1}{A}}=S_{s}b+S_{y}\,}$

• ${\displaystyle V_{w}}$es el volumen de agua liberada del almacenamiento ([L ³ ]);
• ${\displaystyle h}$es la carga hidráulica ([L])
• ${\displaystyle S_{s}}$¿Es el almacenamiento específico?
• ${\displaystyle S_{y}}$es el rendimiento específico
• ${\displaystyle b}$es el espesor del acuífero
• ${\displaystyle A}$es el área ([L ² ])

Confinado

En el caso de un acuífero confinado o acuitardo, la capacidad de almacenamiento es el valor de almacenamiento específico integrado verticalmente. El almacenamiento específico es el volumen de agua liberado de una unidad de volumen del acuífero bajo una unidad de disminución de la carga. Esto está relacionado tanto con la compresibilidad del acuífero como con la compresibilidad del agua misma. Suponiendo que el acuífero o acuitardo es homogéneo :

${\displaystyle S=S_{s}b\,}$

Sin confines

En el caso de un acuífero libre, la capacidad de almacenamiento es aproximadamente igual al rendimiento específico ( ) ya que la liberación del almacenamiento específico ( ) suele ser órdenes de magnitud menor ( ). ${\displaystyle S_{y}}$ ${\displaystyle S_{s}}$ ${\displaystyle S_{s}b\ll \!\ S_{y}}$

${\displaystyle S=S_{y}\,}$

El almacenamiento específico es la cantidad de agua que una porción de un acuífero libera del almacenamiento, por unidad de masa o volumen del acuífero, por unidad de cambio en la carga hidráulica, mientras permanece completamente saturada.

El almacenamiento específico de masa es la masa de agua que un acuífero libera del almacenamiento, por masa de acuífero, por unidad de disminución de la carga hidráulica:

${\displaystyle (S_{s})_{m}={\frac {1}{m_{a}}}{\frac {dm_{w}}{dh}}}$

dónde

${\displaystyle (S_{s})_{m}}$es la masa de almacenamiento específica ([L ⁻¹ ]);

${\displaystyle m_{a}}$es la masa de aquella porción del acuífero de donde se libera el agua ([M]);

${\displaystyle dm_{w}}$es la masa de agua liberada del almacenamiento ([M]); y

${\displaystyle dh}$es la disminución de la carga hidráulica ([L]).

El almacenamiento específico volumétrico (o almacenamiento específico por volumen ) es el volumen de agua que un acuífero libera del almacenamiento, por volumen del acuífero, por unidad de disminución en la carga hidráulica (Freeze y Cherry, 1979):

${\displaystyle S_{s}={\frac {1}{V_{a}}}{\frac {dV_{w}}{dh}}={\frac {1}{V_{a}}}{\frac {dV_{w}}{dp}}{\frac {dp}{dh}}={\frac {1}{V_{a}}}{\frac {dV_{w}}{dp}}\gamma _{w}}$

dónde

${\displaystyle S_{s}}$es el almacenamiento volumétrico específico ([L ⁻¹ ]);

${\displaystyle V_{a}}$es el volumen total de aquella porción del acuífero desde donde se libera el agua ([L ³ ]);

${\displaystyle dV_{w}}$es el volumen de agua liberada del almacenamiento ([L ³ ]);

${\displaystyle dp}$es la disminución de la presión ( N •m ⁻² o [ML ⁻¹ T ⁻² ]) ;

${\displaystyle dh}$es la disminución de la carga hidráulica ([L]) y

${\displaystyle \gamma _{w}}$es el peso específico del agua ( N •m ⁻³ o [ML ⁻² T ⁻² ]).

En hidrogeología , el almacenamiento específico volumétrico es mucho más común que el almacenamiento específico de masa . En consecuencia, el término almacenamiento específico generalmente se refiere al almacenamiento específico volumétrico .

En términos de propiedades físicas mensurables, el almacenamiento específico se puede expresar como

${\displaystyle S_{s}=\gamma _{w}(\beta _{p}+n\cdot \beta _{w})}$

dónde

${\displaystyle \gamma _{w}}$es el peso específico del agua ( N •m ⁻³ o [ML ⁻² T ⁻² ])

${\displaystyle n}$es la porosidad del material (relación adimensional entre 0 y 1)

${\displaystyle \beta _{p}}$es la compresibilidad del material del acuífero a granel (m ² N ⁻¹ o [LM ⁻¹ T ² ]), y

${\displaystyle \beta _{w}}$es la compresibilidad del agua (m ² N ⁻¹ o [LM ⁻¹ T ² ])

Los términos de compresibilidad relacionan un cambio dado en la tensión con un cambio en el volumen (una deformación). Estos dos términos pueden definirse como:

${\displaystyle \beta _{p}=-{\frac {dV_{t}}{d\sigma _{e}}}{\frac {1}{V_{t}}}}$

${\displaystyle \beta _{w}=-{\frac {dV_{w}}{dp}}{\frac {1}{V_{w}}}}$

dónde

${\displaystyle \sigma _{e}}$es la tensión efectiva (N/m ² o [MLT ⁻² /L ² ])

Estas ecuaciones relacionan un cambio en el volumen total o de agua ( o ) por cambio en la tensión aplicada (tensión efectiva —o presión de poro— ) por unidad de volumen. Las compresibilidades (y por lo tanto también S _s ) pueden estimarse a partir de pruebas de consolidación de laboratorio (en un aparato llamado consolidómetro), utilizando la teoría de consolidación de la mecánica de suelos (desarrollada por Karl Terzaghi ). ${\displaystyle V_{t}}$ ${\displaystyle V_{w}}$ ${\displaystyle \sigma _{e}}$ ${\displaystyle p}$

Determinación del coeficiente de almacenamiento de los sistemas acuíferos

Análisis de pruebas de acuíferos

Los análisis de pruebas de acuíferos proporcionan estimaciones de los coeficientes de almacenamiento del sistema acuífero al examinar las respuestas de reducción y recuperación de los niveles de agua en los pozos a las tensiones aplicadas, generalmente inducidas por el bombeo desde pozos cercanos. ^[4]

Análisis de tensión-deformación

Los coeficientes de almacenamiento esquelético elásticos e inelásticos se pueden estimar mediante un método gráfico desarrollado por Riley. ^[5] Este método implica trazar la tensión aplicada ( carga hidráulica ) en el eje y contra la deformación vertical o el desplazamiento (compactación) en el eje x. Las pendientes inversas de las tendencias lineales dominantes en estas trayectorias de carga de compactación indican los coeficientes de almacenamiento esquelético. Los desplazamientos utilizados para construir la curva de tensión-deformación se pueden determinar mediante extensómetros , ^{[5] [6]} InSAR ^[7] o nivelación . ^[8]

Pruebas de consolidación en laboratorio

Las pruebas de consolidación de laboratorio permiten obtener mediciones del coeficiente de consolidación dentro del rango inelástico y proporcionan estimaciones de la conductividad hidráulica vertical . ^[9] El almacenamiento específico del esqueleto inelástico de la muestra se puede determinar calculando la relación entre la conductividad hidráulica vertical y el coeficiente de consolidación.

Simulaciones y calibración de modelos

Las simulaciones de hundimiento de tierras incorporan datos sobre el almacenamiento en el sistema acuífero y la conductividad hidráulica . La calibración de estos modelos puede conducir a estimaciones optimizadas de los coeficientes de almacenamiento y la conductividad hidráulica vertical . ^{[8] [10]}

Rendimiento específico

El rendimiento específico , también conocido como porosidad drenable, es una relación, menor o igual a la porosidad efectiva , que indica la fracción volumétrica del volumen del acuífero que un acuífero dado producirá cuando se permita que toda el agua se drene de él bajo las fuerzas de la gravedad:

${\displaystyle S_{y}={\frac {V_{wd}}{V_{T}}}}$

dónde

${\displaystyle V_{wd}}$es el volumen de agua drenada, y

${\displaystyle V_{T}}$es el volumen total de roca o material

Se utiliza principalmente para acuíferos no confinados, ya que el componente de almacenamiento elástico, , es relativamente pequeño y generalmente tiene una contribución insignificante. El rendimiento específico puede estar cerca de la porosidad efectiva, pero hay varias cosas sutiles que hacen que este valor sea más complicado de lo que parece. Siempre queda algo de agua en la formación, incluso después del drenaje; se adhiere a los granos de arena y arcilla en la formación. Además, el valor del rendimiento específico puede no alcanzarse por completo durante mucho tiempo, debido a complicaciones causadas por el flujo no saturado. Los problemas relacionados con el flujo no saturado se simulan utilizando la solución numérica de la ecuación de Richards , que requiere la estimación del rendimiento específico, o la solución numérica de la ecuación de velocidad de la humedad del suelo , que no requiere la estimación del rendimiento específico. ${\displaystyle S_{s}}$

Véase también

• Prueba de acuífero
• Mecánica de suelos
• La ecuación de flujo de agua subterránea describe cómo se utilizan estos términos en el contexto de la solución de problemas de flujo de agua subterránea.

Referencias

• Freeze, RA y JA Cherry. 1979. Aguas subterráneas . Prentice-Hall, Inc. Englewood Cliffs, NJ. 604 pág.
• Morris, DA y AI Johnson. 1967. Resumen de las propiedades hidrológicas y físicas de los materiales de roca y suelo analizados por el Laboratorio Hidrológico del Servicio Geológico de Estados Unidos 1948-1960 . Documento sobre suministro de agua del Servicio Geológico de Estados Unidos 1839-D. 42 págs.
• De Wiest, RJ (1966). Sobre el coeficiente de almacenamiento y las ecuaciones del flujo de agua subterránea. Journal of Geophysical Research, 71(4), 1117–1122.

Específico

1. https://www.un-igrac.org/sites/default/files/resources/files/Groundwater%20book%20-%20English.pdf ^{[ URL básica PDF ]}
2. Béjar-Pizarro, Marta; Ezquerro, Pablo; Herrera, Gerardo; Tomás, Roberto; Guardiola-Albert, Carolina; Ruiz Hernández, José M.; Fernández Merodo, José A.; Marchamalo, Miguel; Martínez, Rubén (01-04-2017). "Mapeo de las variaciones del nivel del agua subterránea y del almacenamiento del acuífero a partir de mediciones InSAR en el acuífero de Madrid, centro de España". Revista de Hidrología . 547 (Suplemento C): 678–689. Código Bib : 2017JHyd..547..678B. doi :10.1016/j.jhidrol.2017.02.011. hdl : 10045/63773 .
3. Tomás, R.; Herrera, G.; Delgado, J.; Lopez-Sanchez, JM; Mallorquí, JJ; Mulas, J. (2010-02-26). "Estudio de subsidencia del terreno basado en datos DInSAR: Calibración de parámetros del suelo y predicción de subsidencia en la ciudad de Murcia (España)". Ingeniería Geológica . 111 (1): 19–30. Bibcode :2010EngGe.111...19T. doi :10.1016/j.enggeo.2009.11.004.
4. Chow, Ven Ten (junio de 1952). "Sobre la determinación de los coeficientes de transmisibilidad y almacenamiento a partir de datos de pruebas de bombeo". Eos, Transactions American Geophysical Union . 33 (3): 397–404. Bibcode :1952TrAGU..33..397C. doi :10.1029/tr033i003p00397. hdl : 2142/94351 . ISSN  0002-8606.
5. Riley, FS (1969). Análisis de datos de extensómetros de pozos de la zona central de California. Asociación Internacional de Hidrología Científica. Publicación 89, 423–431.
6. Cleveland, Theodore G.; Bravo, Rolando; Rogers, Jerry R. (septiembre de 1992). "Coeficientes de almacenamiento y conductividades hidráulicas verticales en acuitardos utilizando datos de extensómetros e hidrogramas". Aguas subterráneas . 30 (5): 701–708. Código Bibliográfico :1992GrWat..30..701C. doi :10.1111/j.1745-6584.1992.tb01556.x. ISSN  0017-467X.
7. Tomás, R.; Herrera, G.; Delgado, J.; Lopez-Sanchez, JM; Mallorquí, JJ; Mulas, J. (2010-02-26). "Estudio de subsidencia del terreno basado en datos DInSAR: Calibración de parámetros del suelo y predicción de subsidencia en la ciudad de Murcia (España)". Ingeniería Geológica . 111 (1): 19–30. Bibcode :2010EngGe.111...19T. doi :10.1016/j.enggeo.2009.11.004. ISSN  0013-7952.
8. Hoffmann, Jörn; Galloway, Devin L.; Zebker, Howard A. (febrero de 2003). "Modelado inverso de parámetros de almacenamiento en capas intermedias utilizando observaciones de subsidencia de tierras, Antelope Valley, California". Water Resources Research . 39 (2): 1031. Bibcode :2003WRR....39.1031H. doi :10.1029/2001WR001252. ISSN  0043-1397.
9. Relaciones entre ecuaciones básicas de ingeniería de suelos y ecuaciones básicas de flujo de agua subterránea (Informe). Servicio Geológico de Estados Unidos. 1980. doi :10.3133/wsp2064.
10. Burbey, Thomas J. (1 de marzo de 2020). "Análisis forense de extensómetros: ¿qué nos pueden decir realmente los datos?". Hydrogeology Journal . 28 (2): 637–655. doi : 10.1007/s10040-019-02060-6 . ISSN  1435-0157.
11. Johnson, AI (1967), Rendimiento específico: recopilación de rendimientos específicos para varios materiales , Water Supply Paper 1662-D, Washington, DC: US ​​Government Printing Office, pág. 74, doi : 10.3133/wsp1662D