fundamentos de agua subterraneas

7/23/2019 Fundamentos de Agua Subterraneas

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INTRODUCCIN

El difcil concentrar en un trabajo de escasas p-ginas siquiera los conceptos ms elementales rela-cionados con las aguas subterrneas procurando,adems, evitar explicaciones complejas o farragosasque pudieran hacer intil el objetivo de aproximar elconocimiento del medio hidrogeolgico a los profe-sores y otras personas interesadas en los procesos dela naturaleza que dependen de este recurso.

La Hidrogeologa es la ciencia que se ocupa delestudio de las aguas subterrneas en su contextogeolgico (origen, presencia, circulacin, interac-ciones con el medio, etc.), as como de su explora-cin, captacin y explotacin, y de las repercusio-nes ambientales que su inadecuada gestin puedeacarrear. Adems, hay que tener en cuenta que amedida que avanzan los conocimientos sobre elcomportamiento del agua subterrnea en diferentesmedios rocosos, se incorporan nuevos conceptos.La hidrogeologa de los sedimentos y rocas detrti-cas es la mejor conocida; en el resto de los sustratos

normalmente se aplican los mismos fundamentoscon mayor o menor xito.

Los mbitos de investigacin hidrogeolgicams caractersticos son el estudio de las relacionesentre el medio fsico y las aguas subterrneas que sealojan en l, el estudio de los procesos que rigen elmovimiento del agua subterrnea en el seno de lasrocas y sedimentos, y el estudio e interpretacin dela qumica de las aguas subterrneas.

En este trabajo queremos responder a las pre-guntas ms elementales de esta ciencia, para que

sirvan de gua a los profesores que por primera vezse enfrentan a su docencia en los niveles bsicos dela enseanza, teniendo en cuenta que los libros detexto en la educacin preuniversitaria apenas abor-dan estas cuestiones, o, en otros casos, lo hacen demanera no suficientemente clara.

Hasta poca bien reciente ha sido frecuente en-contrar en libros de texto y de divulgacin concep-tos errneos -o, al menos, equvocos- sobre el parti-cular, que inducen a un incorrecto entendimiento de

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DIEZ PREGUNTAS ELEMENTALES SOBRE AGUAS SUBTERRNEASTen basic questions about groundwater

FUNDAMENTOS CONCEPTUALES Y DIDCTICOS

(*) Departamento de Geologa. Universidad de Alcal. Alcal de Henares (Madrid) 28871. E-mail: [email protected]

(**) Departamento de Geologa. Universidad de Alcal. Alcal de Henares (Madrid) 28871. E-mail: [email protected]

Luis F. Rebollo Ferreiro (*) y Miguel Martn-Loeches Garrido (**)

RESUMEN

Las aguas subterrneas constituyen el objeto de estudio de la Hidrogeologa. Se presentan en estetrabajo, en forma de preguntas sencillas, los conceptos bsicos relativos al origen y presencia del aguaen el subsuelo, las propiedades que determinan la posibilidad de su almacenamiento y circulacin en y atravs de las rocas y sedimentos, las condiciones en que se produce el flujo subterrneo, las herramientasy medios elementales para el estudio y la representacin de los acuferos, las posibilidades de explota-cin de estos recursos hdricos y las caractersticas fsico-qumicas ms destacadas de las aguas subte-rrneas en la naturaleza.

La contestacin a estas preguntas elementales se hace de manera que resulte asequible a cualquier

persona con unos mnimos conocimientos de Ciencias de la Tierra.

ABSTRACT

Groundwater constitutes the mean subject of Hydrogeology. Basic concepts regarding the origin andpresence of water in the subsoil, properties that determine both storage and circulation of the water inand through rock bodies and sediments, groundwater flow conditions, tools and elemental means used forthe study and representation of the aquifers, groundwater resources exploitation possibilities and the phy-sic-chemical characteristics of groundwater in the nature are broached in this text by means of some sim-ple questions. The answer to these elemental questions is done so that anyone with a minimum knowledgeabout Earth Sciences can understand.

Palabras clave:Aguas subterrneas, Hidrogeologa, Acuferos.Keywords: Groundwater, Hydrogeology, Aquifer systems.


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la esencia de las aguas subterrneas y el papel quejuegan en el medio ambiente y en la satisfaccin delas necesidades del hombre. Baste recordar, a ttulode ejemplo, la deficiente representacin grfica quetantas veces se ha mostrado sobre la parte subterr-nea del ciclo hidrolgico y las relaciones aguas su-perficiales/aguas subterrneas.

Las respuestas a las preguntas que formulamosa continuacin no son amplias ni profundas, peroesperamos que s sean tiles y su respuesta suficien-temente aclaratoria. No obstante, al final del trabajose propone una relacin de materiales que el profe-sor puede consultar para ampliarlas en funcin desus necesidades; debe advertirse, sin embargo, que,salvo excepciones como el trabajo de Lpez Geta etal. (2001), la mayora de las publicaciones de carc-ter divulgativo de que tenemos constancia son ex-tranjeras y estn publicadas mayoritariamente enlengua inglesa (por ejemplo, Alley et al., 1999;Clarke et al., 1996; Downing, 1998; Mayer, 1998;Winter et al., 1998), salvo el trabajo de Moore et al.

(2005), traducido al castellano. Otras publicacionesde mayor envergadura y profundidad son los clsi-cos Davis y De Wiest (1971) o Custodio y Llamas(1983), en castellano; o Freeze & Cherry (1979),Heath (1993) o Brassington (1995), en ingls. Tam-bin han aparecido algunos textos recientemente,que abordan de manera ms asequible para el lectorprofano algunos de los aspectos que aqu tratamos,como Martnez et al. (2006), Garca y Fernndez(2006), Sanz (2004), Garca et al. (2001) o SnchezSan Romn (2004).

QU ES EL AGUA SUBTERRNEA?

El agua subterrnea es aquella que se localizaen el subsuelo; es la que se almacena y circula en ya travs de las formaciones geolgicas. Globalmen-te se cifra en unos 7 millones de km3, lo que suponetan slo algo ms del 0,5% del total de agua presen-te en el planeta; sin embargo, excluyendo el hielode los glaciares y casquetes polares, este volumenrepresenta en torno al 97% del agua dulce continen-tal (Clarke et al., 1996) frente a menos del 3% delagua de los ros y lagos-, por lo que su presencia re-sulta crucial, tanto para satisfacer las necesidadeshumanas como para el mantenimiento de los ecosis-temas acuticos, particularmente en regiones ridaso insulares, donde las aguas superficiales apenas es-

tn presentes.Las aguas subterrneas proceden de las precipi-

taciones, ya sea directamente, por infiltracin a tra-vs del terreno tras o durante un aguacero, o indi-rectamente, tras un cierto tiempo de permanenciay/o circulacin en superficie.

El agua subterrnea est perfectamente integra-da en el ciclo hidrolgico (Fig. 1), razn por la cualordinariamente se excluye del mbito de las aguassubterrneas a las aguas juveniles (de origen mag-mtico) y a las aguas fsiles o congnitas (atrapadasen los sedimentos desde su formacin). Tambinparecen estar ajenas al ciclo hidrolgico algunas

aguas subterrneas que aparecen en regiones desr-ticas, que se infiltraron hace decenas de miles deaos, cuando esas zonas no eran tan ridas (Sn-chez San Romn, 2004).

CMO SE ALMACENA EL AGUA SUB-TERRNEA EN EL SUBSUELO?

El agua que, tras un episodio de precipitacin,penetra a travs del suelo forma un frente de hume-dad descendente que puede llegar a alcanzar secto-res del subsuelo donde se acumula en los poros y fi-

suras de las rocas all existentes (zo na desaturacin), circulando a travs de ellas, o quedarretenida a lo largo de su trayecto descendente haciaaquellos sectores (zona de aireacin), dando lugar ala denominada humedad del suelo, en gran medidautilizada por las plantas para su crecimiento y desa-rrollo.

As, pues, la zona saturada es la parte del sub-suelo en donde todos los poros, fisuras y cavidadesde los materiales que la constituyen estn saturadosde agua (Fig. 1). A partir de una cierta profundidad(del orden de 2.000 3.000 m para rocas endge-nas, a ms de 15.000 m para algunos depsitos se-dimentarios) la presin adquiere valores tales que

determina el cierre o la reduccin al mnimo de losporos, lo que supone, a efectos prcticos, el lmiteinferior de dicha zona de saturacin.

Lazona no saturada, denominada tambinzonavadosa o zona de aireacin, es la parte del terrenocomprendida entre la superficie del suelo y la zonade saturacin. Los poros y fisuras estn ocupadosen parte por aire (generalmente a presin atmosfri-ca) y en parte por agua sometida a succin (presininferior a la atmosfrica) (Fig. 1). Dentro de estazona se pueden distinguir varias franjas: la subzonaedfica o de evapotranspiracin (caracterizada porsus fuertes interacciones con la atmsfera), que in-cluye el suelo; lafranja o subzona intermedia (con

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Fig. 1. Las aguas subterrneas en el ciclo hidrol-gico (tomado de Winter et al., 1998).


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flujo de agua casi siempre descendente), que puedealcanzar un espesor de decenas de metros en algu-nas zonas, si bien desaparece prcticamente en zo-nas hmedas; y lafranja capilar, parte ms baja dela zona de aireacin, en transicin a la zona satura-da, en la que los poros estn saturados de agua, perosometidos tambin a una pequea succin. Aunqueel espesor de la franja capilar suele ser de unos po-

cos centmetros, si los materiales del subsuelo sonde granulometra fina puede llegar a alcanzar algu-nos metros.

El lmite entre las zonas saturada y no saturadadel subsuelo est caracterizado por la superficie fre-tica (Fig. 1) -tambin denominada hidrosttica-,en la que el agua soporta una presin igual a la at-mosfrica; viene determinada de forma muy aproxi-mada por el nivel que alcanza el agua en el interiorde los pozos que penetran ligeramente en la zona desaturacin.

Debe quedar claro, por lo tanto, que el aguasubterrnea almacenada en el subsuelo se encuentra

ocupando los poros, fisuras y huecos en general delos materiales que all se localizan, de forma anlo-ga, en la mayora de los casos, a como lo hace elagua que empapa una esponja.

El trmino almacenar es relativo, ya que sibien el agua puede efectivamente permanecer mu-chsimo tiempo en una estructura geolgica, o con-siderarse retenida porque sufre un flujo inaprecia-ble, tarde o temprano retornar a la superficie:volver a ser evaporada o transpirada por las plan-tas, si se localiza en reas someras; o aflorar a tra-vs de manantiales o como descarga subterrneaoculta incorporndose a los ros, lagos o el mar.

QU SON LOS ACUFEROS?

Con esa denominacin nos referimos a las for-maciones geolgicas que almacenan y permiten lafcil circulacin del agua subterrnea. Una forma-cin geolgica es un cuerpo rocoso de dimensionesapreciables producto de la dinmica terrestre; undepsito de duna, una barra litoral, los aluviones deun ro, un batolito grantico, una colada volcnica,etc., son formaciones geolgicas.

Atendiendo a la definicin, slo sern conside-radas como acuferos las unidades o formacionesgeolgicas que estn formadas por materiales poro-

sos y permeables, como unas arenas, unas gravas ounas calizas karstificadas.

Conforme a ello, podemos suponer que, por elcontrario, un batolito grantico no es un acufero, sibien en superficie puede estar tan fracturado y alte-rado que pudiera comportarse como tal; la clave re-side en la cantidad til de agua que puede aportar,esto es, si la formacin almacena y transmite aguaen cantidades adecuadas para ser explotada de for-ma ms o menos continua y satisfacer una deman-da. Si no cumple con esa condicin, la formacin secomportar como acufugo (si, por carecer de poro-sidad significativa, no puede almacenar ni transmi-tir agua subterrnea); otras posibilidades son las de

los acucludos (formaciones que pueden almacenargrandes cantidades de agua, merced a su elevadaporosidad, pero no permiten su circulacin, al serprcticamente impermeables) y los acuitardos (se-mejantes a los anteriores, pero con una permeabili-dad tal que permiten un flujo dificultoso del agua asu travs).

Todo acufero tiene una extensin y un espesorque conviene conocer, aunque no es nada fcil esta-blecer esos lmites en algunos casos. El rea dondese produce la recarga, el rea de descarga, el aguaen superficie en contacto con el acufero (ros y la-gos) son, entre otros, elementos importantes paraentender su funcionamiento.

CULES SON LOS TIPOS DE ACUFEROS?

Los acuferos se pueden clasificar por la natura-leza del material constituyente y su posible altera-cin o afectacin estructural: as se distingue entreacuferos porosos (con poros intergranulares), acu-

feros krsticos (con cavidades y conductos genera-dos por disolucin de la roca original) y acuferosfisurados (con fracturas abiertas que permiten elalojamiento y la circulacin del agua subterrnea).

Ms comnmente, los acuferos se clasifican enfuncin de su estructura y del estado de presionesque soportan, distinguindose bsicamente entreacuferos libres y confinados.

Un acufero libre o fretico a aqul en que elagua subterrnea que contiene est en contacto conla atmsfera a travs de los poros u oquedades exis-tentes en la zona no saturada y, por tanto, la partesuperior de la zona de saturacin -es decir, la super-

ficie fretica- est sometida a la presin atmosfrica.Por lo general, el agua de los pozos construidos

en este tipo de acuferos se encuentra a la profundi-dad correspondiente a la superficie fretica (Fig. 2).Sin embargo, en determinadas ocasiones en que lospozos penetran a profundidades considerables enreas en que existen irregularidades importantes enla forma de la superficie superior de saturacin, elagua puede alcanzar cotas inferiores al nivel freti-co o superiores a ste, llegando eventualmente a re-basar la superficie del terreno (este fenmeno se co-mentar ms adelante).

Un caso particular de acufero libre lo constitu-yen los denominados acuferos colgados, consisten-tes en pequeas formaciones permeables aisladas delos acuferos regionales por lentejones o niveles po-co permeables que impiden la conexin hidrulicacon el resto, quedando suspendido o colgado elnivel fretico local por encima de la superficie desaturacin general (Fig. 2). Constituyen frecuentesacuferos colgados las terrazas aluviales escalona-das, sobre sustratos poco permeables, o los lentejo-nes arenosos en medios arcillosos.

Un acufero cautivo o confinado es aqul en queel agua est, en cualquier punto del mismo, a mayorpresin que la atmosfrica, razn por la cual alefectuar una perforacin el agua asciende hasta un

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nivel superior al del techo del acufero, en que seequilibra la presin hidrulica con la atmosfrica. Aeste nivel ideal determinado por todos los puntos deequilibrio de la presin del agua con la atmosfricase le denomina superficie piezomtrica. sta se co-rresponde con la altura de la columna de agua queequilibra la presin del agua del acufero en cual-quier punto del mismo.

Los pozos perforados en este tipo de acuferosreciben el nombre de artesianos, siendo en ocasio-nes tambin surgentes (cuando el nivel piezomtri-co se encuentra por encima de la superficie topogr-fica) (Fig. 2).

Los acuferos cautivos se caracterizan por estarseparados de la atmsfera por materiales impermea-bles o confinantes, es decir, por acucludos; conse-cuentemente, soportan la presin ejercida por el pe-so de stos. Sus poros albergan ms agua que la quecorresponde a su volumen, ya que el agua tienecierta capacidad de compresin.

El caso ms simple y conocido de acufero cau-tivo, aunque no el nico, lo constituye una estructu-ra sinclinal en que exista una formacin porosa ypermeable localizada entre materiales impermea-bles, estando el rea de recarga situada por encima

del resto del acufero (Fig. 2).Un caso particular de este tipo de acuferos lo

constituyen los acuferos semiconfinados. stos es-tn recubiertos por (o yaciendo sobre) un acuitardo,por lo que pueden recibir o perder parte del aguaque almacenan a travs del techo y/o la base delacufero; su superficie piezomtrica tambin se en-cuentra por encima del techo del acufero. En gene-ral se acepta que la recarga de agua es proporcionala la diferencia de niveles entre los del acufero encuestin y los de los que se encuentran por encimao por debajo; si la diferencia es negativa, se produ-ce una descarga.

Todos los acuferos tienen un rea de alimenta-cin, en que se produce la recarga, generalmentepor infiltracin del agua procedente de las precipi-taciones; ello supone que incluso los acuferos con-finados cuentan con algn sector en que se compor-tan como acuferos libres (Fig. 2). Adems, concierta frecuencia los acuferos reciben algn otro ti-po de recarga natural, tal como la infiltracin proce-dente de ros, embalses o lagos, o la recarga subte-rrnea desde otros acuferos adyacentes.

CULES SON LAS PROPIEDADES QUEDEFINEN LA CAPACIDAD DE ALMACENA-MIENTO Y TRANSMISIN DEL AGUA ENUN ACUFERO?

Parece evidente que cuanto mayor sea el volu-men de poros (intersticios, fisuras u oquedades engeneral) de que dispone un material, ms agua pue-de almacenar; as pues, cabe pensar en principioque los materiales ms porosos son los ms intere-santes desde el punto de vista hidrogeolgico. Co-mo veremos enseguida, esto no es del todo cierto.

Laporosidad (m) de un material o medio se de-fine como la relacin existente entre el volumen de

huecos del mismo (Vh) y su volumen total (Vt):

m = Vh/ Vt

Se expresa normalmente en tantos por ciento.En rocas muy compactas suele ser inferior al 1% yen el caso de depsitos recientes de grano fino pue-de superar el 50%.

Conviene tener presente que las partculas sli-das del medio retienen una cierta cantidad de aguafirmemente adherida a la superficie de sus paredes(Fig. 1): es el agua higroscpica y pelicular; ade-ms, el espacio de poro existente entre grano y gra-no es a veces tan pequeo que se retiene otra parte


Fig. 2. Tipos de acuferos (tomado de Brassington, 1995).


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del agua all alojada por tensin superficial: es elagua capilar. En definitiva, el tamao del hueco tilpara la libre circulacin del agua se reduce conside-rablemente: es el correspondiente al agua gravfica.

Por eso debemos entender que slo una parte dela porosidad es efectiva para la circulacin delagua. A esa parte efectiva de la porosidad total de

una roca o depsito se la denomina precisamenteporosidad eficaz o efectiva (me), que relaciona elvolumen de agua extrable del medio -agua gravfi-ca (Vag)- con el volumen total de material:

me = Vag/ Vt

Es evidente, pues, que el valor de la porosidadtotal de un determinado medio se reparte entre laporosidad eficaz y la retencin especfica (re) (vo-lumen o parte del agua que queda retenida en losporos y fisuras del terreno), siendo ambos valoresmuy variables en funcin, sobre todo, del tamaomedio de los granos minerales. La retencin espec-fica equivale, por tanto, a la diferencia entre la po-

rosidad total y la efectiva.El volumen de agua que escurre por gravedad de

un bloque de arena seco que saturamos completa-mente, en relacin al volumen del bloque, es la po-rosidad efectiva; el volumen de agua que queda rete-nida en el bloque en forma de humedad es laretencin especfica, y la suma de ambos volme-nes, respecto del volumen del bloque, es la porosi-dad total.

Estos conceptos permiten explicar ciertas para-dojas. As, por ejemplo, sabemos que una arcillatiene muchsimos poros, aunque los huecos son mi-nsculos; por ello su porosidad total es alta y, sin

embargo, la efectiva es muy pequea. Eso determi-na que, aunque pueda albergar grandes volmenesde agua, sta no pueda moverse apenas, como vere-mos enseguida.

Ahora estamos en condiciones de saber cuntaagua (Vag) podemos extraer de un acufero libre -lasdenominadas reservas explotables del sistema-, msall de los recursos renovables o recarga del acufe-ro; ser una cantidad equivalente al volumen delacufero (su extensin superficial, Sp, por el espesorde su zona de saturacin, b) multiplicado por el va-lor de su porosidad eficaz:

Vag = (Sp x b) x me

As pues, la porosidad efectiva es el parmetroque define el almacenamiento til en este tipo deacuferos. Pero no ocurre lo mismo en un acuferoconfinado: como ya hemos sealado, en este tipo deacuferos el agua est sometida a presin, lo que sig-nifica que se ha introducido en los huecos ms aguaque la que tericamente permite la capacidad de losporos. En trminos absolutos es pequeo el volumende agua que puede entrar de manera forzada, ya queel agua tiene muy escasa capacidad de deformacinelstica (se considera un fluido poco compresible).

Al extraer el agua del acufero confinado la pre-sin en los poros se va relajando paulatinamente,

hasta hacerlo por completo, momento en que elacufero pasa a ser libre; la cantidad de agua que seha liberado durante la relajacin es escasa, compa-rativamente al volumen almacenado.

El parmetro hidrulico que cuantifica el agua li-berada al disminuir la presin en el acufero se de-nomina coeficiente de almacenamiento (S); es el vo-

lumen de agua que se libera por una columna debase unidad y de altura todo el espesor del acuferocuando el nivel piezomtrico desciende una unidad(Fig. 3); es adimensional, como la porosidad. Enacuferos confinados su valor suele estar comprendi-do entre 10-4 y 10-5, mientras que en acuferos libresoscila normalmente entre 0,3 y 0,05 (30% y 5%),valores que adquiere en stos la porosidad eficaz.

Las propiedades de los acuferos que determinansu capacidad de transmisin del agua son esencial-mente dos: lapermeabilidady la transmisividad.

La permeabilidad (K) es una propiedad que re-fleja la facilidad que un medio presenta para que unfluido -el agua en nuestro caso- circule a travs delmismo. Este parmetro, que referido al agua se de-nomina tambin conductividad hidrulica, tiene di-mensiones de velocidad (aunque no es la velocidadcon que se mueve el agua en el medio poroso); en

realidad corresponde al caudal de agua que pasa poruna seccin unitaria de acufero cuando desciendeel nivel piezomtrico una unidad (por unidad delongitud recorrida).

Todo el mundo conoce que unas arenas o unasgravas son muy permeables y que las arcillas sonprcticamente impermeables; ello es consecuenciadel tamao y grado de conexin de los poros: ansiendo mucho ms porosas las arcillas que los mate-riales detrticos ms groseros, la porosidad efectivade aqullas es despreciable frente a la de stos, yaque los abundantes pero minsculos espacios quequedan entre las partculas arcillosas estn ocupados


Fig. 3. Coeficiente de almacenamiento en acuferoslibres y confinados (modificado de Brassington,1995).


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en su prctica totalidad por agua firmemente retenidaa sus paredes minerales, mientras que en el caso delas gravas o arenas los espacios intergranulares, ansiendo menos numerosos, son mucho ms grandes,permitiendo el libre paso del agua a travs de ellos.

La transmisividad (T) expresa la facilidad paraque el agua circule a travs de la totalidad del espe-

sor saturado (b) del acufero; basta con multiplicar Kpor b para conocer su valor. Un medio puede sermuy permeable pero, si su espesor de saturacin espequeo, el caudal de agua que puede circular a tra-vs del conjunto ser reducido; ms interesantes pue-den resultar acuferos muy potentes constituidos pormateriales de permeabilidad moderada, que permitenel flujo de grandes volmenes de agua en poco tiem-po. El caso es anlogo al de un tubo abierto muy lim-pio pero de escaso calibre frente a una tubera degran dimetro, aunque sta contenga algunos encos-tramientos o suciedad en sus paredes; la segunda fa-cilita un paso de agua muy superior al primero.

Las unidades con que se expresa la transmisivi-

dad de un medio son de dimensiones L2T-1, habi-tualmente m2/da o cm2/seg.

Finalmente, un parmetro que a veces se utilizaen relacin con las dos capacidades bsicas de unacufero (almacenamiento y transmisin del agua)es la difusividad hidrulica (D), equivalente al co-ciente entre la transmisividad y el coeficiente de al-macenamiento del sistema:D = T / S.

DE QU DEPENDE EL MOVIMIENTO DELAGUA A TRAVS DEL MEDIO POROSO?

El ingeniero francs Henry Darcy determin enun experimento realizado en 1856 (Fig. 4) que elcaudal (Q) de agua que atraviesa un tubo relleno dematerial poroso depermeabilidad (K) y seccin (A)conocidas crece proporcionalmente a stas y a la di-ferencia de altura de niveles entre la entrada y la sa-lida del agua (h) e inversamente al recorrido delagua ( l ). Esta constancia, que se conoce como leyde Darcy, es la base de los estudios fsico-matem-ticos sobre el flujo del agua subterrnea y se expre-sa de forma simplificada as:

Q = K x A x (h/ l) = K x A x i

La relacin h / l se denomina gradiente hi-drulico (i), y expresa la prdida de energa (altura

del nivel piezomtrico) que experimenta el agua enmovimiento por unidad de longitud recorrida cuan-do se desplaza a travs de un material poroso y per-meable.

La energa de que dispone el agua en cada pun-to del acufero determina su potencial hidrulico(h); equivale en cada punto a la suma de su altitud(cota topogrfica con respecto al nivel de referen-cia, generalmente el mar) y de la presin que sopor-ta el agua all localizada. As, un punto situado auna cota de 600 m puede tener un potencial de 640m; ello significara que el agua subterrnea locali-zada en ese punto del acufero estara sometida auna presin equivalente a 40 m de altura (unas 4

atmsferas). Precisamente esa presin es la que de-terminara su ascenso espontneo en una perforacin(pozo artesiano) si atravesamos el terreno hasta acce-der el punto en cuestin, pudiendo incluso alcanzarla superficie (pozo surgente) si la profundidad delmismo bajo el suelo es inferior a la altura de la pre-sin correspondiente al agua en ese punto (Fig. 2).

Esta energa del agua, o potencial hidrulico, enuna determinada posicin en el acufero se expresaordinariamente en metros sobre el nivel del mar yequivale a la cota a la que se sita la superficie pie-zomtrica del acufero en la vertical de ese punto.

Para que exista movimiento del agua subterr-nea entre dos puntos de un acufero el potencial hi-drulico de ambos tiene que tener distinto valor (hade existir una diferencia de potencial), y se produci-r desde el sector en que el potencial es mayor ha-cia donde es menor. A igualdad de las restantescondiciones, el caudal de transferencia de agua sertanto ms elevado cuanto mayor sea el gradiente hi-drulico, esto es cuanto mayor sea la diferencia depotencial (h) y menor sea la distancia (l) entreambos puntos.

Como el caudal es proporcional a la velocidad ya la seccin transversal al flujo, con ayuda de la leyde Darcy se puede calcular la velocidad media conque se mover el agua en un sector que definamosdel acufero en la direccin del flujo. La expresinmatemtica de la velocidad real (v) del agua atravs de un medio poroso y permeable es:

v = (K x i) / me

Esta expresin deriva de la ley de Darcy, to-mando en consideracin que la seccin real por laque pasa el agua subterrnea no es toda la contem-plada (A) en dicha ecuacin, sino la equivalente a(A x me), ya que tan slo es posible el flujo a travsde los canalculos interconectados del espacio poro-so efectivo del material.


Fig. 4. Experiencia de Darcy (modificado de Davisy De Wiest, 1971).


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QU ELEMENTOS UTILIZAMOS PARAREPRESENTAR Y ESTUDIAR LOS ACUFE-ROS?

Si elaboramos un mapa topogrfico de la su-perficie piezomtrica de un acufero, las curvasde nivel que representaran su forma son las lla-madas lneas isopiezomtricas o isopiezas. Con la

salvedad de los manantiales y otras zonas de des-carga, en que la superficie fretica es cortada porla topogrfica, en acuferos libres las isopiezassiempre marcan posiciones por debajo del suelo,ya que la superficie piezomtrica (que en este casose corresponde con el nivel fretico) se localizabajo la superficie del terreno. En los acuferosconfinados, por el contrario, las lneas isopiezo-mtricas pueden indicar cotas superiores a las delas isohipsas con que se corten, siempre y cuandola altura correspondiente a la presin que soportael agua en un punto dado sea mayor que la profun-didad de ese punto bajo la superficie topogrfica.Cualquier pozo construido en esos sectores ser

artesiano y surgente.Pensemos ahora en tres dimensiones. En el se-

no de un acufero, todos los puntos que tienen elmismo valor de potencial hidrulico forman unasuperficie imaginaria, que llamamosequipotencial. As, todos los puntos del acuferocuyo potencial sea de 10 msnm, forman la superfi-

cie equipotencial de valor 10 m. La interseccinde esa superficie equipotencial con la superficiepiezomtrica (fretica en los acuferos libres) for-ma la lnea isopieza de 10 m; si lo hacemos conotros valores de potencial (20, 30, 40, etc.), enplanta obtendremos el mapa de isopiezas, y enperfil un corte hidrogeolgico con lneas equipo-tenciales (Fig. 5).

En ambos grficos podemos trazar, empezandodesde cualquier punto, flechas que indiquen la di-reccin y sentido del flujo, de mayor a menor po-tencial hidrulico, y siempre cortando perpendicu-larmente a las lneas de potencial; ambas familiasde curvas conforman la denominada red de flujodel sistema hidrogeolgico (Fig. 5). Con estas re-presentaciones podemos calcular el gradiente hi-drulico en cualquier sector del acufero y aplicarla ley de Darcy para estimar el caudal de flujo.

Del anlisis de la red de flujo (o, indistintamen-te, de la observacin de las lneas de flujo o de lasequipotenciales o isopiezas) es posible tambin re-

conocer las reas de recarga y de descarga de losacuferos, y las eventuales relaciones entre aguassubterrneas y superficiales. As, en el mapa y per-fil de la Fig. 5 se puede apreciar la existencia de unsector central de recarga (caracterizado por altosvalores de potencial hidrulico y flujo divergente) yunos sectores laterales de descarga (bajos valoresde potencial y flujo del agua subterrnea conver-gente), en que el ro recibe aportaciones subterrne-as en su cauce (ro ganador, condiciones deefluencia; frente a la situacin inversa, que se dafrecuentemente en zonas ridas, de ro perdedor,condiciones de influencia).

CMO SE OBTIENEN LOS PARMETROSFUNDAMENTALES DE LOS ACUFEROS?

La manera ms comn de conocer los valoresaproximados de los parmetros que hemos enume-rado en los prrafos precedentes es a travs del es-tudio del comportamiento del acufero en cuestincomo respuesta a las extracciones, analizando losdescensos producidos en el nivel del agua en pozosconstruidos en l.

El ritmo de estos descensos es funcin del cau-dal que extraiga la bomba, pero tambin y sobre to-do de la capacidad de cesin de agua del conjunto

del acufero a la demanda de la bomba; de maneraque el anlisis de la evolucin que sufre el nivel delagua a lo largo del tiempo de bombeo con un caudalconstante de extraccin permite, con ayuda de di-versos mtodos interpretativos, obtener una estima-cin muy aproximada del valor de la transmisividaddel acufero en el entorno del pozo de bombeo y,conocido el espesor de saturacin de la formacinen ese lugar, obtener igualmente una idea precisa dela permeabilidad media del material acufero en esesector.

Para conocer el valor del coeficiente de almace-namiento (equivalente a la porosidad efectiva enacuferos libres) no nos basta slo con el registro de


Fig. 5. Red de flujo en un acufero libre. Vista enplanta y en perfil (tomado de Heath, 1987).


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los descensos producidos en el pozo de bombeo;necesitamos observar adems los descensos del ni-vel del agua que ese bombeo genera en al menos unpozo o piezmetro situado a una cierta distancia delpozo en que se extrae el agua, todo ello con el obje-to de conocer la forma del cono de depresin que segenera.

En el caso de acuferos libres este cono de de-presin es real, mostrando la evolucin de la super-ficie fretica en respuesta al bombeo (Fig. 6), resul-tado de la desaturacin o vaciado de agua de partede la zona saturada. Por el contrario, en el caso delos acuferos cautivos el cono de depresin es vir-tual, ya que continan estando totalmente saturadosde agua, aunque a menor presin que la inicial, perosiempre superior a la atmosfrica; la superficie pie-zomtrica se deforma adoptando esa forma de conoinvertido, que se extiende mucho ms rpidamenteque en el caso anterior.

Para que los valores de transmisividad y coefi-ciente de almacenamiento obtenidos sean represen-tativos del sistema, los pozos que ensayamos debenatravesar completamente el acufero y estar bienconstruidos, cosa que no siempre se cumple; en ca-so contrario, en ambos supuestos se deben aplicar

factores correctores.Cuando se quiere conocer el mximo caudal

que es capaz de proporcionar un pozo se deben rea-lizar ensayos a caudal variable, observando los des-censos que se producen con caudales crecientesdespus de unas dos horas de bombeo.

En el laboratorio se puede obtener tambin elvalor de la porosidad mediante ensayos efectuadosen muestras inalteradas del acufero, que se saturande agua en laboratorio; y el de la permeabilidad ha-ciendo pasar a travs de esas muestras agua desdeuna determinada carga.

CMO SE EXPLOTAN LAS AGUAS SUB-TERRNEAS?

Las aguas subterrneas se captan ordinariamen-te mediante pozos, excavaciones o perforacionesverticales de pequeo dimetro en relacin con suprofundidad, que permiten acceder a la zona de sa-turacin del acufero (Fig. 6). Menos frecuentemen-

te se emplean galeras subhorizontales; suele ser enzonas volcnicas, de elevada pendiente topogrfica,como ocurre en buena parte de los acuferos de lasIslas Canarias.

Para la extraccin del agua subterrnea se re-quiere el uso de bombas, de las que hay varios ti-pos. La ms comn es sumergible y eleva el aguaa travs del movimiento de unos rodetes que gi-ran a gran velocidad, accionados por energaelctrica. Su funcionamiento es muy sencillo:dentro de una cmara hermtica dotada de entra-da y salida gira una rueda con los rodetes, queson el elemento rodante de la bomba que convier-te la energa del motor en energa cintica. Cuan-do entra lquido dentro del cuerpo de la bomba,el rodete (alimentado por el motor) proyecta elfluido a la zona externa del cuerpo-bomba debidoa la fuerza centrfuga producida por su velocidad;de esta manera, el lquido almacena una energa(potencial) que se transformar en caudal y alturade elevacin (o energa cintica). Este movimien-to centrfugo provoca, al mismo tiempo, una de-presin capaz de aspirar el fluido que se debebombear; conectando despus la bomba con la tu-bera de descarga, el agua sale al exterior con fa-cilidad.

La explotacin de las aguas subterrneas ha de

ser cuidadosamente planificada, ya que un inade-cuado emplazamiento de los pozos de bombeo ouna abusiva extraccin pueden ocasionar efectosnegativos sobre el medio. Algunas de estas conse-cuencias indeseables son el descenso generalizadode los niveles, con la consecuente disminucindrstica de los aportes subterrneos a las corrien-tes o masas de agua superficiales o el secado demanantiales (por sobreexplotacin, con extraccio-nes de agua superiores o muy prximas al volu-men de los recursos subterrneos renovables), eldeterioro de la calidad del agua (por ejemplo, cer-ca del litoral por mezcla con agua del mar, quepenetra de forma subterrnea en el acufero al de-

primir la superficie piezomtrica por debajo delnivel de aqul) o, incluso, la subsidencia del terre-no (especialmente en el caso de acuferos confina-dos).

Estos efectos de la sobreexplotacin puedenllevar al abandono de las captaciones, por incre-mento sustancial de los costes de bombeo, poragotamiento de los pozos o por aumento de la mi-neralizacin del agua extrada en ellos. Adems,es frecuente la afeccin a ecosistemas acuticosdependientes de la aportacin subterrnea, queconlleva en ocasiones su desaparicin.


Fig. 6. Cono de depresin en un acufero libre (to-mado de Heath, 1987).


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QU CARACTERSTICAS FSICO-QUMI-CAS TIENE EL AGUA SUBTERRNEA?

Las caractersticas fsico-qumicas del agua sub-terrnea dependen, sobre todo, del material consti-tuyente del acufero y del grado de evolucin delagua en ste.

Aunque a medida que aumenta la profundidadla temperatura de las aguas subterrneas crece (ge-neralmente conforme al gradiente geotrmico), laspoco profundas suelen presentar una oscilacin tr-mica mucho menos acusada que la de las aguas su-perficiales, ya que estn resguardadas de los cam-bios de temperatura del aire en la superficie delterreno.

El pH y la conductividad elctrica estn en di-recta relacin con las reacciones qumicas que seproduzcan en el medio. Las aguas subterrneas tie-nen una capacidad de disolucin mayor que lasaguas superficiales, no por ser ms agresivas questas, sino por su mayor tiempo de permanencia en

contacto con las formaciones geolgicas en las quese alojan y a travs de las cuales se desplazan. Lasvariaciones en su composicin fsico-qumica pue-den ser especialmente importantes en las primerasetapas de su circulacin por el subsuelo (Fig. 7).

El agua infiltrada en el terreno se cargar pro-gresivamente de elementos qumicos en forma ini-ca, hasta alcanzar su saturacin en los mismos. Co-mo el elemento de mayor producto de solubilidad,de entre los ms comunes en el agua, es el ion clo-ruro (Cl-), no debe extraarnos que despus de unlargo recorrido por un acufero que apenas tienecloruro en su composicin el agua subterrnea pue-da llegar a ser clorurada.

En general el agua de lluvia al disolver el dixi-do de carbono (CO2) de la atmsfera y, sobre todo,del suelo, en su viaje de percolacin hacia la zonasaturada del terreno, se carga en ion bicarbonato(HCO3-) y se hace ms cida de lo que era antes, demanera que puede disolver los minerales del medio.Si la roca por la que pasa es caliza o doloma, el ca-tin dominante ser calcio (Ca2+) o magnesio(Mg2+); si es arena y arcilla, ser calcio o sodio(Na+), dependiendo de la composicin de las part-culas de estos sedimentos detrticos; esa composi-cin variar con el flujo, como se ha comentado, enfuncin del producto de solubilidad. Evidentementeen su evolucin, siempre que no encuentre en su ca-mino una nueva fuente de CO2, el agua va perdien-do su capacidad de disolver minerales, aumentandosu pH (Fig. 7).

Se dan en la naturaleza ciertos fenmenos quepueden modificar esta pauta tan sencilla, entre losque se encuentran el intercambio de bases (esen-cialmente Ca2+ del agua por Na+ cedido por los mi-nerales de la arcilla) y la reduccin de sulfatos, quese favorece con el concurso de determinadas bacte-rias. Tal es el caso del olor a huevos podridos queen ocasiones presenta el agua subterrnea; ese olores caracterstico del gas sulfhdrico, que es liberadoen los procesos de reduccin de sulfatos. Si el agua

subterrnea tiene sulfatos, en ambientes pobres enoxgeno las bacterias reductoras (que son anaero-bias) toman el oxgeno de los sulfatos, para poderalimentarse, liberndose sulfhdrico. Estas bacteriasse encentran frecuentemente en el medio, incluso agrandes profundidades.

Si uno de los elementos que se incorpora el

agua subterrnea es malo para la salud del ser hu-mano decimos que el agua est contaminada. El ar-snico, por ejemplo, es un elemento que se puedeincorporar naturalmente por disolucin de ciertosminerales. Una exposicin a largo plazo a altos ni-veles de arsnico en el agua de bebida puede causarun espesamiento de la piel o la aparicin de man-chas de pigmentacin, as como cncer de piel, pul-mn, vejiga o rin.

Sin embargo, los procesos de contaminacinms frecuentes se originan de forma directa o indi-recta por actividad humana. Hay tantas sustanciascontaminantes como elementos dainos, y entran alacufero por distintas vas, aunque el caso ms ge-

neralizado es a travs de la infiltracin desde la su-perficie del terreno o a escasa profundidad. Mu-chos contaminantes son miscibles con el agua perootros muchos no; su comportamiento en el subsue-lo depende de si son ms o menos densos que elagua.

Afortunadamente, los acuferos cuentan con lacolaboracin de la zona de aireacin del sustrato,que supone una proteccin natural frente a la mayo-ra de las actividades contaminantes, ya que stas sedesarrollan preferentemente en la superficie del te-rreno y, adems, en el transcurso del movimientodel agua contaminada a travs de aqulla se produ-cen ciertos fenmenos de retardo y atenuacin de la

carga contaminante (Fig. 7).No obstante, la concentracin de poblacin en

grandes ciudades, la creciente industrializacin y elaumento de la agricultura de regado y de la gana-dera intensiva, entre otras causas, han propiciadola aparicin de fenmenos de contaminacin cadavez ms frecuentes y preocupantes. En muchos ca-sos, su deteccin ha sido tarda, ya que el agua sub-terrnea se desplaza muy lentamente y, en conse-cuencia, tarda mucho tiempo en manifestarse lacontaminacin tras la entrada del producto nocivoen el acufero.

Descontaminar un acufero es muy difcil, pero

existen mtodos para conseguirlo, aunque en gene-ral son muy costosos. La mayora requieren el des-vo del flujo subterrneo en la zona afectada y laextraccin del agua contaminada, y la posterioraplicacin de tcnicas complejas, lentas y caras.

COMENTARIO FINAL

El conocimiento de las aguas subterrneas (supresencia, dinmica, caractersticas qumicas, posi-bilidades de explotacin, relaciones con las aguassuperficiales, etc.) como parte oculta del ciclo hi-drolgico es fundamental para una correcta inter-



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pretacin de la naturaleza, y de crucial importanciapara la adecuada gestin de los recursos hdricos encualquier regin. Este conocimiento, que deber sertransmitido a la ciudadana desde las etapas inicia-les de la educacin y tambin a travs de la divulga-cin cientfica al conjunto de la sociedad, es espe-cialmente necesario en aquellos territorios en que,como ocurre en buena parte de nuestro pas, las

condiciones climticas, fisiogrficas o socioecon-micas aconsejan no prescindir de un factor ambien-tal y de desarrollo tan importante como es el aguasubterrnea.

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Este artculo fue solicitado desde E.C.T. el da 18

de octubre de 2007 y aceptado definitivamente para

su publicacin el 2 de junio de 2008.


Fig. 7. Evolucin geoqumica del agua subterrnea a lo largo del flujo en la zona de saturacin.

fundamentos de agua subterraneas

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