FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CURSO : DRENAJE AÑO ACADEMICO : 2016 I SEMESTRE : VII

CLASE 07 : ESTUDIO DE LA NAPA FREÁTICA

Prof.: F. Gárnica T. Tacna, 08 de mayo del 2016

1

MISCELANEO

Sustitución de fundación: NF alto, fundación inestable

Por ello, la Comisión recalca que es necesario revisar el patrón de decisiones de inversión para orientarlo hacia nuevas infraestructuras que acompañen el camino a la igualdad, con sostenibilidad e inclusión.

Elevada salinidad del agua freática (Caso Ciudad de Piura)

Agua freatica : Color y Olor (Caso Ciudad de Piura)

El NF asciende o desciende de acuerdo al comportamiento del embalse subterráneo

La calicata una aliada del diagnostico del NF

NF próximo al nivel del suelo

Esquema de una capa freática confinada: 1. acuífero,

2. estratos impermeables, 3. área de infiltración, 4. pozo artesiano, 5. nivel freático, 6. pozo, 7. manantial

Recarga artificial a través de un curso de agua

Intrusión marina : Caso Los Palos

5.0 ESTUDIO DE LA NAPA FREATICA

5.1 IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA NAPA FREÁTICA

El estudio de las condiciones y características del agua subterránea presentes en los diferentes tipos de acuíferos, es uno los principales aspectos que se tienen que considerar en investigaciones con fines de drenaje; esto no solo implica el conocimiento de la posición actual del nivel freático, sino también la identificación de las causas que han originado el problema.

En consecuencia, los principales objetivos de estudio de la napa freática

serían : • Determinar el grado, extensión y naturaleza de los problemas de drenaje

existentes o potenciales. • Analizar el sistema y balance de aguas subterráneas, a partir del cual el

origen del problema de drenaje puede ser interpretado y comprendido. • Indicar cómo el sistema puede ser alterado artificialmente de modo que el

nivel freático resultante no cause daño a los cultivos.

5.1.1 Superficie freática

Cuando se perfora un pozo a suficiente profundidad, se hallará luego de un cierto tiempo agua, la cual subirá hasta un cierto nivel . Este nivel de equilibrio, donde la presión hidrostática en el agua, iguala a la presión atmosférica tiene una serie de denominaciones, entre otras: superficie freática, tabla de agua subterránea, nivel freático, nivel de agua subterránea, superficie libre de agua o capa freática.

Entonces la superficie freática, representa el lugar

geométrico de los puntos de la masa de agua, donde la presión es igual a la presión atmosférica.

Ptabla de agua = Patmosférica

5.2 RED DE OBSERVACIÓN DE NIVELES FREÁTICOS Y PIEZOMÉTRICOS

• Las observaciones de campo, dependen en gran parte del nivel de evaluación que se está realizando. En este sentido, para la conformación de la red de observación de los niveles freáticos y piezométricos se deberá tener en cuenta los pozos existentes, las superficies de agua libre (lagos, ríos, canales, drenes, pantanos, humedales, etc.); así como los pozos de observación de la capa freática y piezómetros instalados para ésta finalidad.

• Los pozos existentes permiten frecuentemente la medida de los niveles freáticos

en la etapa preliminar de investigación; sin embargo, se debe analizar cuidadosamente las características de cada pozo (profundidad, perfil del suelo, revestimiento y estado de explotación) para definir si se trata de aguas freáticas, confinadas o semiconfinadas.

• Son más confiables para la mediciones los pozos construidos en forma artesanal

y manual denominados como norias o “cochas”, puesto que ellos generalmente penetran sólo un poco más abajo del nivel freático. Son confiables así mismo, los pozos que se encuentran en estado de abandonados ó en reserva, dado que el nivel freático se encuentra en equilibrio.

Cont. • En cambio, no deben considerarse como confiables para éstos fines,

los pozos en explotación desde los cuales se extrae agua de riego regularmente y en grandes cantidades, principalmente cuando la velocidad de recarga es baja debido a una baja conductividad del suelo. Puede ser un indicador de la confiabilidad del pozo, el tiempo de recuperación del nivel de agua luego de una brusca depresión.

• Es necesario analizar la distribución espacial de los pozos existentes,

dado que para satisfacer los requerimientos de una adecuada red de observación del nivel freático, siempre será necesario completarla con pozos de observación de la capa freática o piezómetros.

• La red de observación del nivel freático se complementa con las

medidas de las superficies de agua libre (ríos, lagos, lagunas, pantanos, etc.), dado que permitirá indicar si dicha superficie se comporta como fuente de recarga o descarga del acuífero.

5.3 POZOS DE OBSERVACIÓN DE LA CAPA FREÁTICA

Un pozo de observación es una perforación construida generalmente con una barrena (auger) hasta una profundidad localizada debajo del nivel freático, los cuales pueden ser entubados ó no entubados (gráfico 5.1).

Un pozo de observación de la napa freática no entubado (A), se

emplea en estudios preliminares de reconocimiento, siempre y cuando al realizar la perforación, el perfil del suelo tenga la suficiente estabilidad que no permita el derrumbe de sus paredes. Cuando los suelos son inestables (arenas) es necesario recurrir al entubamiento.

Cuando se requiere disponer de una red de observación del nivel

freático permanente, es preferible instalar pozos de observación entubados (B). Una pequeña parte del fondo de la perforación se rellena con material filtrante, siendo el más utilizado la grava fina. Luego dentro de la perforación realizada con la barrena, se sitúa una tubería totalmente perforada en toda su longitud.

Gráfico 5.1 – Pozos de observación del nivel freático

CONT. • La tubería más utilizada es generalmente de PVC, por su bajo costo, fácil manejo y

durabilidad. Los diámetros varían de 2 a ¾ pulgadas como mínimo, siendo recomendable que el diámetro no sea menor de 5 cm para facilitar la toma de muestras de agua. La tubería debe de estar debidamente perforada en sus paredes con diámetro de unos 3 mm y ubicadas en la vertical aproximadamente cada 5 cm.

• Una vez colocado el tubo, se rodea el tubo en toda su longitud con un material altamente permeable (grava fina y/o geotextil) y en la parte superior se coloca una capa de bentonita o anillo de hormigón para evitar que ingrese agua superficial al pozo.

• Se recomienda, la tubería con un tapón con una pequeña perforación para

permitir la salida y el ingreso de aire como consecuencia de las fluctuaciones del nivel freático. En el mismo tapón, se colocar el número o identificación del pozo. Se recomienda que la profundidad del pozo sea igual a la de zona radicular más un metro (Pizarro, 1978).

• Generalmente, los pozos de observación del nivel freático se ubican

planimétricamente en forma de reticulado ó en líneas. Esta disposición presenta ventajas para el dibujo e interpretación de los mapas y para representar perfiles de niveles freáticos en los ejes de coordenadas; por supuesto, hay que tener cuidado que su ubicación en terrenos cultivados no entorpezcan las labores agrícolas.

Cont. Los pozos de observación serán instalados considerando los siguientes criterios: • Paralelo y perpendicularmente a la dirección del flujo esperado. • En lugares donde puede esperarse un cambio en la pendiente del nivel freático. • En áreas donde pueden ocurrir significativos cambios en la elevación del nivel

freático. • En áreas donde existen o existirán altos niveles freáticos. Para la identificación de los pozos ubicados en forma de reticulado; salvo mejor

parecer, se define las columnas con números y las filas con letras. El nombre del pozo se identificaría con el nombre de la columna, seguidamente del número de la fila (ejemplo, D5: columna D, fila 5).

Otra de las formas sugerida de identificación, es mediante la ubicación

planimétrica de los pozos de observación en líneas aproximadamente paralelas, asignándole letras en cada una de ellas y números consecutivos ascendentes desde la ubicación del pozo en el punto inferior de la línea. En forma similar al reticulado, el pozo se identificará con el nombre de la fila y por el número consecutivo que le corresponde según su ubicación desde el punto inferior de la línea.

Terminada la construcción de los pozos de observación y/o piezómetros, éstos

deben ser referidos a un sistema de coordenadas y cotas utilizadas para la confección del plano topográfico.

5.4 PIEZÓMETROS

El piezómetro consiste en una tubería cuyo extremo inferior está perforado, ubicándose las

perforaciones en el estrato cuya carga hidrostática se quiere medir (gráfico 5.2)

Los piezómetros para investigaciones de

drenaje, generalmente son de PVC, teniendo

la longitud de la zona perforada mínimo de un

metro (Pizarro, 1978).

En el momento de su instalación, debe tenerse

especialmente cuidado que los diferentes

estratos permeables deben quedar aislados

entre sí con sellos de hormigón o bentonita.

Puede darse el requerimiento de disponer

medidas de la presión hidrostática del agua

subterránea en acuíferos libres, confinados o

semiconfinados en diferentes profundidades,

entonces se tendrá que instalar una batería de

piezómetros.

Gráfico 5.2 – Piezómetro

Para evitar confusiones en la identificación de piezómetros en batería, un procedimiento sugerido

es que el piezómetro más profundo presente el tubo que sobresale sobre la superficie del terreno

sea más baja ó viceversa. En el gráfico 5.3, se presenta esquemáticamente tres piezómetros en

batería.

Gráfico 5.3

Piezómetros en batería

A B C

h1

h2

h3

z2

z1

L

<1m <1m

NIVEL DE REFERENCIA

capas

impermeables o

semipermeables

capas

permeables

Al existir una batería de piezómetros instalados a diferente

profundidad será posible medir la carga hidráulica en cada uno de

ellos y las diferencias que existan entre unos y otros serán

indicadores de la dirección del flujo.

Observando el gráfico 5.3, el potencial total en los piezómetros A,

B y C respectivamente son:

11A zh (5.1)

22B zh (5.2)

3C h (5.3)

Si tenemos en consideración los piezómetros A y B, la diferencia

de potencial entre ambos es ΔΦ:

)zh()zh( 2211BA (5.4)

Luego, el gradiente hidráulico es:

L

i

(5.5)

Si el gradiente hidráulico es positivo, estará indicando que el flujo

es de A hacia B; caso contrario, si es negativo, el flujo es de B

hacia A.

5.5 MEDIDA DEL NIVEL FREATICO Y PIEZOMÉTRICO

Para medir los niveles de agua en los pozos de observación del nivel freático y piezómetros, existen diferentes procedimientos (gráfico 5.4), mediante: • cinta mojable • sonda acústica • sonda eléctrica • registrador con nivel flotante ó • registrador de nivel electrónico. • La cinta mojable consiste en una cinta graduada metálica o de género, en la cual en

el inicio de la cinta dispone de una pesa, la cual es introducida dentro del tubo hasta una profundidad superior a la cual se encuentra el agua. La lectura se registra en el punto superior y luego se extrae la cinta y por diferencia con respecto al punto en que la cinta quedo mojada se obtiene la distancia desde el nivel freático al punto del nivel de referencia de lecturas del pozo, que generalmente es la longitud del tubo sobre el nivel del suelo (gráfico 5.4 A). Para facilitar la lectura es conveniente agregar tiza en polvo a la cinta.

• La sonda acústica consiste en un pequeño trozo de tubo metálico (cobre o acero)

de 1 a 2 cm de diámetro y 5 a 7 cm de largo, cerrado en su extremo superior y conectado a una cinta graduada. Cuando la sonda se introduce dentro del pozo y hace contacto con el agua provoca un sonido característico que permite registrar el nivel con gran precisión (gráfico 5.4 B).

Gráfico 5.4 – Diferentes formas de medir el nivel freático en

pozos de observación y piezómetros (ILRI-FAO 1996)

• El principio de la sonda eléctrica consiste en un circuito eléctrico que se cierra cuando un electrodo entra en contacto con el agua. El extremo superior de la sonda se encuentra conectado a un dispositivo indicador del contacto eléctrico con el nivel de agua (amperímetro, foco de luz ó timbre) el cual es alimentado mediante una batería. Cuando la cinta se introduce en la tubería y los electrodos tocan la superficie del agua se cierra el circuito eléctrico y activa el indicador (gráfico 5.4 C).

• Cuando se desea tener registros continuos de la variación de la profundidad de la napa freática, será necesario instalar un registrador con nivel flotante (gráfico 5.4 D), para lo cual es necesario realizar un pozo de observación de mayor diámetro, de tal forma que pueda introducirse un flotador dentro del mismo. El flotador está conectado a un sistema de registro (papel, cinta perforada, cinta magnética o registro computacional).

• El registrador de nivel de agua electrónico ó registrador de presión (gráfico 5.4 E) mide o registra la presión de agua a intervalos de una hora durante un año. Los registros se controlan mediante un sistema de informática.

• Cada pozo de observación ó piezómetro debe tener su propio registro de información, en el cual debe contener como mínimo la fecha de observación, profundidad del agua desde el nivel de referencia de lecturas, altura sobre el suelo del nivel de referencia, profundidad del agua bajo el nivel del suelo y cota absoluta o relativa del nivel del terreno y del nivel del agua.

(Cont. POZOS DE OBSERVACIÓN DE LA CAPA FREÁTICA)

Para determinar los niveles de agua en cauces abiertos, generalmente se utilizan limnímetros

como el mostrado en el gráfico 5.5.

Gráfico 5.5 – Limnímetro

El nivel freático reacciona con mayor o menor facilidad frente a los distintos componentes de la

recarga y la descarga de la zona en estudio y por tanto cambia constantemente.

La observación de niveles freáticos, piezométricos y de las superficies de agua con fines de

investigación debería realizarse durante un año hidrológico, dado que necesario el conocimiento

de las posiciones medias del los del nivel freático máximo y mínimo; así como también la de

todo el año. De ser posible continuar con las medidas principalmente en años secos y húmedos.

Sin embargo, la frecuencia con que se deben realizar las lecturas de los niveles freáticos depende

del tipo de estudio que se desea realizar; siendo importante el conocimiento del efecto de la

recarga por lluvias, inundaciones y riegos; así como por efecto de las sequías ó grandes estiajes

de las fuentes de agua superficial.

5.5.2 HIDROGRAMAS

Los hidrogramas son gráficos que relacionan las variaciones del nivel de agua con respecto al

tiempo (gráfico 5.6).

Gráfico 5.6

Hidrograma de un

pozo en observación.

Los hidrogramas son de mucha utilidad, porque permiten:

- Definir los períodos en el que el nivel freático alcanza la zona radicular

- Analizar los factores de recarga y descarga del acuífero, al correlacionarlos con la

información de riegos, precipitaciones, sequías, etc.

- Determinar la velocidad de ascenso o descenso del nivel freático.

- Inferir la tendencia del comportamiento del nivel freático.

5.6 MAPAS FREÁTICOS

A partir de los registros de las mediciones realizadas en la red de observación del nivel freático y piezométrico (pozos de observación, piezómetros, pozos existentes y superficies libres de agua) se confeccionan los denominados mapas freáticos, siendo los más importantes los siguientes:

• mapas de isohypsas • mapas de isóbatas ó isoprofundidad • mapas de variaciones de nivel freático • mapas de isosalinidad del agua freática • mapas de isoconductividad hidráulica Los mapas de isohypsas son mapas de curvas de nivel de la

superficie freática, por lo tanto expresa la morfología o configuración del nivel freático en un instante dado (gráfico 5.7). Estos mapas pueden confeccionarse en diferentes fechas; pero es más recomendable elaborar un mapa de isohypsas en las épocas de máxima y mínima recarga.

Gráfico 5.7: Isohypsas y líneas de corriente

• La confección del mapa de isohypsas se realiza sobre el plano topográfico en la cual se encuentra la ubicación de la red de observación del nivel freático y piezométrico, interpolando las cotas absolutas o relativas de los niveles de agua freática determinadas para cada punto de la red, luego se traza líneas uniendo los puntos de igual elevación de la capa freática.

• • Las líneas de igual elevación de la capa freática, se denominan también

como: líneas de contorno de agua, equipotenciales, isohypsas ó isolíneas de la capa freática.

• • En el proceso de interpolación en el trazo de las isohypsas, hay que tener

en cuenta toda la información disponible, considerando también los niveles de las superficies de agua superficial y los aspectos geológicos, como son las fallas; caso contrario, se pueden incurrir en errores como los presentados en los gráficos 5.8 y 5.9

Gráfico 5.8 – Presencia de un lago; isohypsas correcta e incorrectamente dibujadas

Gráfico 5.9 : Presencia de una falla geológica: isohypsas correcta e incorrectamente dibujadas

El mapa de isoprofundidad ó isobatas ó mapa de la profundidad de la capa freática, se

origina por la diferencia de cotas al superponer el mapa de curvas de nivel de la superficie del

terreno con el mapa de isohypsas, como se muestra en el gráfico 5.11. El mapa resulta del trazado

de curvas que unen puntos que tienen igual profundidad al nivel freático.

Se recomienda la siguiente clasificación y nomenclatura para los planos de isoprofundidad

respectivos (ILACO, 1974):

Cuadro 5.1 Clasificación de datos de isoprofundidad del nivel freático

Clasificación Profundidad N.F.

D0: no hay problemas de drenaje mayor de 1.5 m.

D1: posible problemas de drenaje 1.0 - 1.5m.

D2: probable problemas de drenaje 0.5 - 1.0m.

D3: muy probable hasta evidente problemas de drenaje 0.0 - 0.5m.

Las áreas que se encuentran comprendidas entre dos líneas del mapa de isoprofundidad, indican

que el nivel freático se encuentra dentro de los rangos de problemas indicados, en un período o

fecha dada.

Gráfico 5.11 : Determinación de los puntos de isoprofundidad de la napa freática

curva

isohypsa curva

topográficaPro

fund

idad

N. F

.

cota del nivel del terreno

cota del nivel freático

isoprofundidad =

cota topográfica - cota isohypsa

• Los mapas de isoprofundidad permiten la delimitación del área afectada con problemas de drenaje y el conocimiento de la profundidad del nivel freático durante los períodos críticos del crecimiento de los cultivos; por ésta razón, es importante la confección de un mapa de isoprofundidad máximo y mínimo y a partir de ellos determinar las fluctuaciones del nivel freático, así mismo, disponer de un mapa de la profundidad media anual o durante una estación específica (máxima y mínima recarga).

• El mapa de variaciones ó mapa de fluctuaciones del nivel

freático se puede construir a partir de la superposición de los mapas de isohypsas ó de isobatas de dos períodos de tiempo, uniendo los puntos que tienen igual cambio del nivel freático, como consecuencia según corresponda, de la diferencia de las cotas ó profundidades de curvas (gráfico 5.12).

Gráfico 5.12 Mapa de variaciones del nivel freático

El mapa de variaciones de nivel, muestra la distribución espacial y la magnitud de los cambios en el nivel freático en un cierto período de tiempo.

Es así que en el gráfico 5.12, se puede apreciar a

manera de ejemplo, que la línea de variación de +1 indica que todos sus puntos se encuentran actualmente con una altura de agua superior en 1 m. a la que tenían en enero.

Como se comprenderá este mapa es de mucha

importancia en el diseño de sistemas de drenaje, dado que permite identificar las áreas que tienen buen drenaje natural (grandes fluctuaciones) respecto de aquéllos que presentan mal drenaje natural (escasas fluctuaciones).

En forma paralela a las mediciones del nivel freático en la red de observación, es recomendable

medir la salinidad del agua freática, información que nos permite la confección del mapa de

isosalinidad del agua freática.

Se recomienda mantener la clasificación del Laboratorio de Riverside de los Estados Unidos

(cuadro 5.2) para el tramado respectivo entre los rangos de salinidad expresada por la

conductividad eléctrica (CE) en μmhos/cm del agua freática.

Cuadro 5.2 Clasificación de datos de isosalinidad del agua freática

Clasificación CE (μmhos/cm)

C1: agua de baja salinidad 0 – 250

C2: agua de salinidad media 250 – 720

C3: agua altamente salina 720 – 2,250.

C4: agua muy altamente salina 2,250 – 5,000

Los mapas de isoconductividad hidráulica muestran la magnitud y variación espacial de ésta.

Como la medición de la conductividad se hace en un punto específico y la variabilidad de este

parámetro del suelo es muy alta, es recomendable hacer mapas que involucren ciertos rangos de

valor tal como se indican en el gráfico 5.13 (Salgado, 2001).

Gráfico 5.13 : Mapa de isoconductividad hidráulica

Esta sectorización del suelo indicando los rangos de variación de la conductividad (K) es particularmente útil al momento del cálculo del espaciamiento entre drenes, por cuanto es la única forma práctica de resolver el problema en atención a que es muy posible que existan muchos valores de conductividad hidráulica, así como muchos puntos de determinación.

5.7 INTERPRETACIONES Y APLICACIONES DE LOS MAPAS FREATICOS

• Los mapas freáticos en investigaciones de drenaje, son de

mucha importancia, dado que permiten determinar la dirección del flujo de agua subterránea, el gradiente hidráulico, la influencia en la napa freática de ríos y aguas superficiales, etc.

• Los mapas de isohypsas son una representación gráfica del relieve y pendiente del nivel freático, razón por lo cual son la base para determinar la dirección e identificar planimétricamente las áreas y fuentes de recarga; así como la dirección de los ejes de descarga de la napa freática.

• Las líneas normales a las líneas isohypsas son líneas de

flujo. En este sentido, una de las aplicaciones de los mapas freáticos es la determinación de la dirección de flujo, como puede apreciarse en el gráfico 5.14.

Gráfico 5.14 Líneas equipotenciales y de flujo

Generalmente en áreas planas la superficie freática presenta un relieve y pendiente suaves y graduales hacia los puntos de menor cota donde se produce la descarga.

Sin embargo, en otras áreas en forma localizada se presentan

cambios de relieve del nivel freático en forma de elevaciones o depresiones, las cuales pueden ser de origen natural o causadas por el hombre (bombeo de la napa freática).

Una elevación local del nivel freático puede deberse a una

recarga local por riego o por flujo subterráneo ascendente. Las depresiones locales del nivel freático pueden deberse a

bombeo de pozos o filtraciones a estratos más profundos (falla geológica).

• El flujo de agua subterránea es siempre en la dirección de la pendiente, como sucede en la superficie del terreno. La pendiente de la superficie freática representa el gradiente hidráulico, el cual se puede obtener mediante la relación de la diferencia entre dos líneas equipotenciales (Δh) entre la proyección de la longitud (L) que existe entre las dos líneas: i = Δh /L

• En general, cuando las zonas que presentan curvas isohypsas

espaciadas tienen gradientes hidráulicos pequeños, los suelos tienen baja permeabilidad.

• Las zonas con fuertes gradientes hidráulicos, indican terrenos poco permeables.

• Los ríos y corrientes superficiales originan elementos de recarga o

descarga del acuífero, como se muestra a manera de ejemplo en el gráfico 5.15:

Gráfico 5.15 : Mapa de isohypsas mostrando el efecto de un río

• La forma de las curvas equipotenciales en la proximidad de los ríos o corrientes superficiales de agua indica si la corriente de agua actúa como un dren cuando las líneas de concavidad se ubican hacia aguas abajo (zona C del gráfico 5.15); caso contrario, se presentaría recargando el acuífero (zona A).

• El gráfico 5.16 ilustra algunas alternativas que se presentan frecuentemente en relación al aporte de agua desde ríos o canales.

Gráfico 5.16: Impacto de los ríos y canales sobre el nivel freático

A: cauce efluente.

B: cauce influente (nivel

freático superficial)

C: cauce influente (nivel

freático profundo)

5.8 DENSIDADES RECOMENDADAS PARA ESTUDIOS BASICOS

En el cuadro 5.3 se presenta las densidades recomendadas para las diferentes fases de

elaboración de proyectos:

Cuadro 5.3 Densidades para estudios básicos (ILACO, 1974)

Estudio

Fase del Proyecto

(ha por punto de observación)

Reconocimiento Semidetallado Detallado

Profundidad de la napa freática 75 - 150 25 - 50 5 - 10 Salinidad del agua freática - 25 - 50 5 - 10

Salinidad y/o alcalinidad del suelo 75 - 100 25 - 50 -

(Cont. DENSIDADES RECOMENDADAS PARA ESTUDIOS BASICOS)

En el cuadro 5.4 se presenta las escalas de mapas para la presentación de la información

recopilada.

Cuadro 5.4 Escalas recomendadas para e l mapeo (ILACO, 1974)

Estudio Fase del Proyecto

Reconocimiento Semidetallado Detallado

Profundidad y salinidad del agua freática

1/25,000 a

1/50,000

1/10,000 a

1/25,000

1/2,000 a

1/5,000

Salinidad y/o alcalinidad del suelo

1/25,000 a

1/50,000

1/10,000 a

1/50,000 -