Zona No Saturada o Vadosa

Es la zona que se encuentra en el subsuelo arriba de la zona saturada (arriba

del nivel freático), el agua fluye principalmente en dirección vertical.

Diferencias de la zona no saturada con la zona saturada:

1. El almacenamiento es controlado por el cambio en el contenido de agua

(θ) en vez de la expansión elástica y contracción (α y β), no hay un

reacomodamiento de las partículas.

2. La conductividad hidráulica depende del contenido de humedad (θ), por

tanto es variable.

La zona no saturada/vadosa es la

zona preferida por las raíces de las

plantas.

Nivel Freático

Es la superficie del agua subterránea, el contenido del agua en los

espacios vacios entre los sedimentos del subsuelo que limita la zona no

saturada o vadosa de la zona saturada.

La presión en el nivel freático es igual a la presión atmosférica (igual a

cero).

La presión por debajo del nivel freático es mayor que la presión

atmosférica debido al peso del agua arriba de este.

La presión por arriba del nivel freático es menor que la presión

atmosférica debido a la disminución del peso del agua arriba de ese

punto. El agua se encuentra suspendida por medio de fuerzas, llamadas

fuerzas electrostáticas.

Tensión Superficial

Es una propiedad del agua (o cualquier líquido), se deriva de la

atracción que las moléculas del líquido tienen entre sí, lo que hace que

la superficie del líquido se comporte como una membrana elástica.

La tensión superficial tiene unidades de fuerza dividida por longitud,

por lo que se expresa en unidades de newtons por metro (N/m).

Uno de los efectos de la tensión superficial (fuerza de atracción

molecular) es la tendencia de reducir al mínimo la superficie libre en

cualquier volumen del líquido.

La forma geométrica que tiene la superficie para un volumen

determinado es la esfera, por lo que la superficie del agua tiende a

tomar esta forma.

Tensión Superficial

Almacenamiento del agua en la Zona Vadosa

Si se considera la superficie de contacto entre dos fluidos inmiscibles y

diferentes (como por ejemplo agua y aire o agua y petróleo) las moléculas

de los fluidos sobre esa superficie están sometidos a esfuerzos particulares.

Por ejemplo una molécula de agua rodeada por agua está siendo atraída por

todas las moléculas de agua que la rodean, de igual forma si hablamos de

una molécula de aire.

Pero si ellas se encuentran en contacto con otras moléculas diferentes por

ejemplo la molécula de agua en contacto no solo con moléculas de agua

sino además de aire esta se ve fuertemente atraída por las moléculas de agua

y con menor intensidad por las moléculas de aire, como resultado esta

molécula de aire queda sometida a un esfuerzo.

Ejemplo; esparcimiento de un líquido (agua) sobre una superficie sólida

(vidrio):

1. Si el vidrio esta limpio el agua se distribuye como una película delgada,

tiende a humedecer la superficie de manera uniforme debido a que la

atracción de las moléculas de agua con las del vidrio es mayor que la

atracción de las moléculas de agua entre sí, formando una capa uniforme. El

ángulo de contacto es igual a 0, ya que la película de agua será paralela al

vidrio.

2. Si el vidrio esta sucio el agua no se distribuirá de manera uniforme por lo

que la tendencia a ‘mojar’ la superficie será menor, no se formará una capa

uniforme sino que glóbulos el cual tendrá un ángulo de contacto.

3. En algunos casos el líquido tiende a tener mayor atracción entre ellas que

con una superficie sólida (ej., mercurio sobre vidrio o agua sobre cera). Parece

que el sólido repele al líquido formando un ángulo de contacto > 90º.

Por lo que se dice que el líquido no ‘moja’ la superficie.

La tensión superficial hace que la masa de un fluido en el seno

de otro fluido con el que es inmiscible, tienda a tomar la forma

mínima de superficie que es la esfera.

Cohesión describe las fuerzas de atracción entre las moléculas

del mismo tipo.

Adhesión describe las fuerzas de atracción entre las moléculas de

diferente tipo.

Las moléculas cerca de la interfase aire-agua tienen una mayor fuerza hacia

adentro que hacia afuera, es decir, entre las moléculas de agua hay una mayor

atracción (hacia adentro) que las moléculas de agua con el aire (hacia afuera).

Un cuerpo de agua tiende a tener un área superficial mínima para un volumen

dado.

Por tanto la tendencia natural es de contraerse para buscar una energía

potencial mínima.

La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a las moléculas

del agua son diferentes en el interior del líquido y en la superficie.

Si las moléculas de agua están en contacto con otras moléculas de agua

estas fuerzas se anulan, por tanto la energía es baja.

Sin embargo en la superficie hay una fuerza hacia el interior del líquido, si

estas moléculas están en contacto con el aire existirá una mínima fuerza

atractiva hacia el exterior entonces estas fuerzas ya no se anulan y la energía

es mayor.

Para el líquido el disminuir su estado energético es minimizar el número de

partículas en la superficie. Ejemplo, las gotas de agua de la lluvia que

adquieren la forma de esfera porque tratan de tener un área mínima de

contacto con el aire.

Tensión superficial es el término para referirse a las interfases de líquido-

aire y la tensión interfacial para la interfase líquido-líquido.

Modelo de Tubo Capilar

Las partículas de sedimentos sostienen el agua de la misma forma que los

tubos capilares. El tubo es de un diámetro muy pequeño (la palabra capilar

viene de cabello).

Comparación de las partículas de

suelo reteniendo agua en forma similar

a un tubo capilar.

Fuerza hacia arriba Fuerza hacia abajo

Fs: 2πrσcosλ Fg: πr2ρwga

λ: ángulo de contacto (usualmente pequeño, λ ≈ 1

σ: tensión superficial (≈ 0.07 N/m @ 20ºC)

Presión Negativa

Considere el agua en un beaker. La presión aumenta con la profundidad.

La P = 0 justo debajo de la superficie del agua. La presión aumenta con la

profundidad.

P = ?

El mismo principio aplica a un tubo

capilar que es introducido en el beaker con agua.

P = 0 en la superficie del agua en el beaker. A medida a

aumenta P disminuye. La presión hidrostática

esta dada por: P/ρg, P y ψ son mas negativas a lo largo del tubo.

Presión

Tensión del suelo y tensiómetros

De forma similar P y ψ en los suelos arriba del nivel freático son negativas.

La magnitud de la presión negativa es llamada tensión del suelo.

Las partículas del suelo están aplicando fuerzas (tensión) para mantener el

agua retenida arriba del nivel freático. La tensión del suelo es medida a través

de tensiómetros.

Modelo de fardo de tubos

En cada tubo el agua sube a una

altura dada por:

Relación del contenido de humedad, θ

con la presión ψ; ψ será mas negativa

a medida el contenido de humedad, θ

disminuya.

La zona en la parte

superior del nivel freático es

llamada franja capilar. P = 0

Debajo del nivel freático las presiones son positivas y arriba del nivel freático

son negativas con respecto a la presión atmosférica, es decir, el agua se

encuentra a una presión negativa en la franja capilar.

En la realidad los tubos capilares no son uniformes y tienen secciones transversales

variable debido a la continuidad de los vacíos.

¿Cuál es comportamiento del agua en la franja capilar y arriba de ella?

El grado de saturación es casi del 100% (inmediatamente arriba del nivel freático) y

corresponde a los vacíos más grandes. Arriba de la franja capilar los sedimentos que

forman los poros más grandes del suelo ya no pueden retener el agua, disminuyendo

así la cantidad de agua en los poros.

A medida el agua disminuye con la altura, esta es almacenada en los poros más

pequeños los cuales pueden proporcionar una mayor tensión.

La altura máxima de ascensión capilar corresponde a los vacíos más pequeños.

Curva Característica de Agua - Suelo

La relación entre ψ y θ es llamada característica de agua-suelo.

La magnitud de ψ indica el grado de tensión del suelo.

Compare el θ de los dos tipos de suelos a una ψ = -1m

¿Por qué el comportamiento es diferente?

Arena

Arcilla

Almacenaje de agua en acuíferos no confinado

Suponga una columna vertical de un acuífero no confinado en el siguiente

ejemplo:

¿Cuáles son las condiciones necesarias para que no haya flujo en la columna?

El nivel freático se encuentra a 948m de profundidad arriba del nivel del mar

y a 2m bajo la superficie del suelo.

Figura….. ¿Qué pasa si sumamos la presión y elevación hidrostática?

Observe que la magnitud de la ψ es igual a la distancia arriba del nivel freático

(z); ψ = z.

Bajo condiciones hidrostáticas, θ decrece del nivel freático hacia la superficie

del suelo. La forma de la curva θ-z es igual a la curva de la gráfica θ-ψ, vemos

que ψ = z.

Si drenan la columna del acuífero para que el nivel freático descienda,

provocando un cambio en θ (cantidad de agua, es decir contenido de agua) el

comportamiento es:

Esta área representa la cantidad

total del agua drenada al

disminuir el nivel freático.

Arena

Arcilla

Nivel freático inicial

Nivel freático final

• La porosidad gravífica (eficaz ne) es el volumen de agua que se puede drenar fácilmente por gravedad (Sy)

+

• la porosidad de retención o retención específica hace referencia a los poros no conectados entre sí o semicerrados así como la adherencia (del agua) a la superficie de los granos y que se puede drenar mediante centrifugación intensa (Sr).

• En la mayoría de los acuíferos formados por arenas y gravas Sr < 5%.

• Cuando el nivel freático desciende en una columna de sedimentos, una cantidad significante de agua es retenida en los sedimentos.

• La cantidad de

agua drenada por

unidad de descenso

del NF es Sy = b/a

Grava Arcilla

Conductividad Hidráulica en la zona no saturada

A medida el suelo se vuelve no saturado los poros más grandes se drenarán

primero, teniendo los poros más pequeños una alta resistencia al flujo. Como

resultado la conductividad hidráulica, K va a disminuir a medida disminuye

el contenido del agua, θ.

El diagrama siguiente muestra un suelo con alto contenido de arcilla,

La Ley de Darcy necesita un ajuste:

Debido a que θ es una función de ψ, es decir:

Por tanto K es dependiente de la variable h, es lo que se llama

dependencia no lineal de K en h, y tiene una mayor influencia en la

evaporación y transpiración.

Evapotranspiración y Flujo del agua en el subsuelo

Cuando el agua es tomada por la evapotranspiración, el suelo se seca y

el contenido de agua disminuye, provocando un incremento en la

tensión del suelo y la disminución de ψ.

Sin embargo, debido a que los suelos finos retienen más el agua a

menores θ, el movimiento vertical del agua puede ser lento debido a la

baja K.

¿Cuál será el comportamiento de la carga hidráulica a medida se acerca

a la superficie del terreno?

Conductividad Hidráulica (K) como un factor limitante para la

evapotranspiración

• La K en la zona no saturada disminuye a medida el agua del suelo es

extraída (esta disminuye).

• Para contrarrestar el incremento de la resistencia del flujo (mayor

resistencia debido a una menor K), la pendiente del gradiente hidráulico

(dh/dz) se vuelve pronunciada (inclinada) y h (porque ψ disminuye)

disminuye. Esto provoca que la K disminuya aún más.

¿Qué pasará si la K sigue disminuyendo?

El flujo del agua no seguirá (= 0).

El flujo del vapor de agua en suelos secos es mucho mas pequeño comparado

al flujo del agua (estado líquido) en el suelo húmedo.

El suelo en la zona de las raíces se secará después de un prolongado periodo

de ausencia de precipitación.

Infiltración

Ejemplo, una columna de suelo bajo condiciones hidrostáticas. El nivel

freático esta a 5m bajo la superficie del suelo.

¿Cómo es el comportamiento de las gráficas de evapotranspiración en

comparación a las de infiltración?

Es al contrario en la de evapotranspiración θ disminuye y en la de infiltración

θ aumenta.

¿Cuándo ocurre el valor máximo de K?

Cuando el suelo se encuentra completamente saturado. Este valor es llamado

conductividad hidráulica saturada, Ksat.

Dentro de la zona saturada q ≈

El gradiente al inicio tiene una pendiente muy pronunciada y disminuye con el

tiempo, al igual que la velocidad de infiltración (q).

Tiempo (min)

Infiltración y recarga de agua subterránea

El periodo de infiltración de lluvias es seguido por el periodo de

evapotranspiración.

La dirección del flujo en la zona vadosa con frecuencia depende de sus

bordes, elevación del nivel freático, humedad del suelo y de la zona capilar.

¿Cuándo habrá recarga en el agua subterránea?

Cuando la cantidad de infiltración exceda la evapotranspiración promedio,

habrá un incremento de agua al nivel freático provocando así recarga.

El nivel freático somero ayuda a sostener la alta evapotranspiración.

Ecuación de flujo en la Zona Vadosa