Nivel piezométrico en un acuifero confinado. Grupo 10-B
| Trabajo realizado por estudiantes | |
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| Título | Nivel piezométrico en un acuifero confinado. Grupo 10-B |
| Asignatura | Ecuaciones Diferenciales |
| Curso | Curso 2016-17 |
| Autores | Pablo Merayo Vidal(1909) María Guadalupe Aranda Sánchez (2049) Marcos Buitrago Peña (656) Dominique Manuela Cazar Espín (1850) Ignacio del Río Pérez (1693) Javier Martín Salgado(1899) Sara Fernández Gago (1663) |
| Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura | |
1 Introducción
Consideramos un acuífero confinado entre dos capas de terreno impermeables horizontales. Llamaremos h(x, y) al nivel piezométrico del acuífero, definido por la altura que alcanzaría el agua si hiciéramos un sondeo en el punto (x, y). Obviamente este valor depende de la presión a la que se encuentra el agua confinada en el acuífero. Supondremos que el acuífero es un medio poroso saturado de agua que ocupa una región infinita y está en equilibrio de manera que [math]h(x, y) = h_0[/math] constante para todo (x, y) ∈ [math]IR^{2}[/math].
Sobre el acuifero se construye un pozo de sección circular y radio[math] ρ_0[/math] para extraer agua. La presencia del pozo hace que el nivel piezométrico cambie. Dada la simetría del problema podemos suponer que h(x, y) sólo va a depender de la distancia al pozo. Si tomamos coordenadas cilíndricas de forma que el eje OZ coincida con el eje de simetría del pozo, entonces h = h(ρ) donde [math]ρ = \sqrt{x^{2} + y^{2}}[/math] . Trabajaremos por tanto en coordenadas polares en el plano (ρ, θ).
Las ecuaciones que permiten conocer h(ρ) son la ecuación de conservación de la masa:
[math] S = \frac{∂h}{∂t} + div q = 0 [/math]
junto con la ley de Darcy
[math] q = −K∇h [/math]
que es una ley experimental que modela el flujo de agua en un medio poroso. La ley de Darcy establece que el flujo de agua q a través de un medio poroso es proporcional a la diferencia de presión, que a su vez se puede escribir en términos del gradiente del nivel piezométrico en cada punto. La constante K se deduce experimentalmente para cada material y se conoce como la conductividad hidráulica o permeabilidad. Cuanto mayor es la constante K mayor es el flujo de agua provocado por un cambio de presión. La ley de Darcy proporciona una buena aproximación del comportamiento del agua en un medio poroso siempre que este sea homogéneo e isótropo.
La constante S en la ley de conservación de la masa se conoce como almacenamiento específico y se interpreta como la cantidad de agua que libera el acuífero al descender el nivel piezométrico en una unidad, por unidad de volumen.
Combinando las ecuaciones de conservación de la masa con la ley de Darcy, obtenemos la ecuación:
[math] \frac{∂h}{∂t} - D∆h = 0, ρ \gt ρ_0, θ ∈ (0, 2π), t \gt 0, (1) [/math]
donde D = K/S es la difusividad hidráulica que supondremos constante.
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2 Deducción de la fórmula
Si tomamos coordenadas cilíndricas de manera que OZ coincide con el eje de simetría del pozo, [math]\ h = h_\rho [/math] donde [math] \rho [/math] [math] = \sqrt{x^2\; +\; y^2\;} [/math] . Trabajamos por tanto en coordenadas polares en el plano [math](\rho ,\theta) [/math].
La primera ecuación con la que podemos determinar [math]\ h = h_\rho [/math] es la de conservación de la masa:
:[math] S ·\frac{ \partial h }{ \partial t } + div q = 0[/math]
siendo S el almacenamiento específico, que expresa la masa de agua extraída (o almacenada) por unidad de volumen de acuífero cuando desciende el nivel piezométrico [math] h [/math].
Para conocer completamente [math]\ h = h_\rho [/math] hace falta combinar con una segunda ecuación la de la conservación de la masa , que en este caso es la que explica la ley de Darcy:
:[math] q = - K ·\nabla h [/math]
siendo K la permeabilidad o conductividad hidraulica y deducida para cada material experimentalmente. El flujo de agua que provoca un cambio de presión será mayor, cuanto mayor sea K.
Combinando ambas ecuaciones tenemos como resultado:
[math] \frac{ \partial h }{ \partial t } - D · \Delta h = 0, \qquad \; \rho \gt \rho _{0}[/math] siendo [math] D=\frac{k}{s} [/math] la difusividad hidráulica que la suponemos constante.
En un caso general , la [math]h[/math] dependería de [math]\rho[/math] y [math]\theta[/math]. Esta ecuación también se puede obtener si hallamos la divergencia del gradiente de h, es decir, el Laplaciano. Por la definición del Laplaciano, esto quedaría como:
[math]\Delta h(\rho,\theta) = (\frac{\partial ^2 h}{\partial \rho^2}+ \frac{1}{\rho}·\frac{\partial h}{\partial \rho}+\frac{\partial^2 h}{\partial \theta^2}) [/math]
Lo primero para hallar q es el gradiente de h (formula gradiente), por tanto q es un campo vectorial. Si se quiere introducir en la ecuación de conservación de la masa, podríamos sustituir el valor de q obtenido dentro de la fórmula que nos obligaría a realizar la divergencia de dicho campo vectorial. Con esto obtendríamos la misma ecuación. Un vez hecho esto para [math]\rho \gt[/math] [math]\rho _{0}[/math] la ecuación diferencial sería:
:[math] \frac{ \partial h }{ \partial t } - D·(\frac{\partial ^2 h}{\partial \rho^2}+ \frac{1}{\rho}·\frac{\partial h}{\partial \rho}+\frac{\partial^2 h}{\partial \theta^2})= 0[/math]
Como queremos imponer que nuestra solución sea radial, obligamos a que [math]h[/math] dependa únicamente de [math]\rho[/math] , por tanto su derivada con respecto a [math]\theta[/math] es igual a cero. La segunda por consiguiente también. Teniendo en cuenta todo esto, obtenemos la siguiente ecuación::
:[math]\frac{\partial h}{\partial t}- D·(\frac{\partial ^2 h}{\partial \rho^2}+ \frac{1}{\rho}·\frac{\partial h}{\partial \rho}) = 0 \quad(1)[/math]
Ciñéndonos a una región finita, [math]\rho\in (\rho_{0},20)[/math], y considerando que la altura del pozo se mantiene constante [math]h_{p}[/math], la solución de nuestra ecuación (1) requiere dos condiciones de contorno que para este caso, se han propuesto de tipo Dirichlet (valor de la variable preescrito):
- [math]h(\rho _{0},t) = h _{\rho} \quad \quad h(20,t) = h _{0}[/math]
Debido al carácter transitorio del problema se necesita una condición inicial, que implica al tiempo dado en un instante inicial [math]t = 0[/math] y que haga referencia al estado del nivel piezométrico [math]h_{0}[/math], antes de ejecutar la excavación del pozo, es decir [math]h(\rho,0) = h _{0}[/math]. Así para completar el sistema imponemos esa condición inicial para que nuestro problema tenga una única solución. Teniendo en cuenta todo lo anterior el sistema será el siguiente:
\[\left\{\begin{matrix}\ \frac{\partial h}{\partial t}- D·(\frac{\partial ^2 h}{\partial \rho^2}+ \frac{1}{\rho}·\frac{\partial h}{\partial \rho})=0 , & \\ h(\rho _{0},t)=h _{\rho} \quad \quad h(20,t)=h _{0} & \\ h(\rho,0)=h _{0} & \end{matrix}\right.\]
3 Resolución numérica por el método de diferencias finitas
Utilizamos el método de diferencias finitas con el objetivo de aproximar la ecuación en derivadas parciales a un problema discreto cuya resolución conduce a un sistema lineal de ecuaciones en cada paso de tiempo. Este método permite tratar problemas con fronteras irregulares sin tener que definir ecuaciones especiales para cada una de estas. Además, como la ubicación nodal no se ajustar necesariamente a una malla regular, es posible ubicar con precisión las extracciones y discontinuidades de entorno y del propio acuífero. Los resultados de estas simulaciones permitieron demostrar la utilidad de este método para tratar geometrías complejas y distribuciones irregulares de extracciones y definir el patrón natural de flujo y las alteraciones ocasionadas por las extracciones, así como su influencia en los niveles piezométricos.
Suponemos para nuestro problema un [math]\rho_{0}= 0.5[/math] m, [math]h_{0}= 45[/math] m, [math]h_{p}= 34[/math], [math] D = 0.01[/math], [math]h(\rho,0)= h_{0}[/math] y el tiempo medido en horas, que en los siguientes apartados realizaremos aproximaciones del problema expuesto con tres métodos distintos: trapecio, euler explícito e implícito .
