4.4: Aspectos cualitativos del agua subterránea y el flujo de agua subterránea

La Figura 4-14 muestra una sección transversal vertical a través de un área representativa de la superficie terrestre, mostrando algunas de las características importantes de distribución de las aguas subterráneas. La parte del subsuelo que se encuentra por encima del nivel freático se denomina zona vadosa o zona aireada o zona insaturada. La mayoría de las veces, los espacios porosos en la zona vadosa están ocupados principalmente por aire (más gases generados localmente); solo justo después de una fuerte lluvia se llenan los espacios de poro con agua de filtración descendente. La parte de la zona subsuperficial que se encuentra debajo del nivel freático se llama zona freática o zona saturada. En la zona freática los espacios porosos siempre están llenos de agua.

Figura 4-14. Sección transversal vertical a través de un área representativa de colinas y valles de la superficie terrestre, mostrando características de distribución del agua subterránea.

En realidad, la interfaz entre la zona vadosa y la zona freática (es decir, el nivel freático) no es una superficie aguda y bien definida: es una zona de transición borrosa. Eso se debe a la subida capilar del agua hacia los espacios porosos de la parte más baja de la zona freática. (Véase la sección de antecedentes sobre tensión superficial y capilaridad anterior en el capítulo.) La zona de saturación parcial se llama franja capilar. Su espesor va desde apenas un centímetro o dos, en gravas gruesas, hasta un par de metros, en finos sedimentos ricos en limo. La razón por la que existe una gradación en el grado de saturación es que, debido a la dispersión de los tamaños de partícula, los espacios de poro adyacentes varían ampliamente en su tamaño efectivo.

La topografía del nivel freático imita la topografía de la propia superficie terrestre: es alta bajo colinas y baja bajo valles. Pero la topografía del nivel freático es más tenue que la de la superficie terrestre, porque la profundidad hasta el nivel freático es mayor bajo cerros y menos bajo valles. De hecho, el nivel freático cruza la superficie terrestre en ríos y lagos y manantiales. Esto no debería sorprenderte si piensas en los ríos y lagos como solo los lugares donde la zona permanentemente saturada emerge de debajo del manto del medio poroso.

No hay relación necesaria entre el nivel freático (la superficie de contacto entre la zona vadosa y la zona freática), por un lado, y el contacto entre lecho rocoso y regolito, por otro lado. En áreas con un manto relativamente delgado de regolito y un nivel freático relativamente profundo, el nivel freático se encuentra principalmente dentro del lecho rocoso (Figura 4-15A). En áreas con un manto relativamente grueso de regolito y un nivel freático relativamente poco profundo, sin embargo, el nivel freático se encuentra principalmente dentro del regolito (Figura 4-15B). En Nueva Inglaterra, ambos extremos son comunes, básicamente debido a la profundidad altamente variable del regolito resultante de la erosión glacial, el transporte y la deposición de regolitos durante la última Edad de Hielo.

Figura 4-15. Nivel freático vs. posición de contacto regolito-lecho rocoso.

La Figura 4-16 muestra un registro del nivel del nivel freático en un pozo ubicado como se muestra en la Figura 4-14 durante un año representativo. En esta zona, el nivel freático fluctúa verticalmente unos diez pies en el transcurso del año. Las fluctuaciones pueden ser considerablemente menores o mayores que eso, dependiendo en parte de la variabilidad de la lluvia pero también muy importante de la permeabilidad del material subsuperficial. Obviamente, el nivel freático tiende a ser alto durante los periodos lluviosos de primavera y otoño y bajo durante las sequías estivales. Pero el nivel freático tiende a ser bajo también durante el invierno, debido a que el suelo en la superficie se congela a una profundidad de un metro o incluso más, impidiendo, o al menos impidiendo, la recarga, mientras que el agua subterránea a mayores profundidades continúa fluyendo y así bajando el nivel freático. (El término recarga se utiliza para describir la reposición de agua subterránea en una región subsuperficial de la que previamente se retiraba el agua subterránea, ya sea de forma natural o por actividades humanas). Otra cosa destacable del récord en la Figura 4-16 es que el nivel freático sube más rápido de lo que cae. Esto se debe a que la recarga implica la percolación verticalmente hacia abajo a través de una capa relativamente delgada de material poroso, mientras que el drenaje implica un movimiento más lento del agua subterránea a través de largas distancias hacia abajo de gradientes bajos

Figura 4-16. Registro representativo del nivel del nivel del nivel freático en un pozo.

Aquí hay una nota incidental sobre la profundidad de los pozos de agua. Por lo general, se perfora un pozo muy por debajo del nivel del nivel freático local, por dos razones:

• para asegurar que el fondo del pozo permanezca por debajo del nivel freático incluso durante sequías severas;
• para llegar por debajo del nivel de las aguas contaminadas cercanas a la superficie (¡pero el problema es que incluso las aguas más profundas no permanecen incontaminadas para siempre!).

Los precios que uno paga por pozos más profundos (aparte del costo en dólares por pie de pozo) son:

• generalmente, cuanto más profundo es el pozo, menor es la porosidad y permeabilidad del medio, y así cuanto menor es la velocidad de flujo hacia el pozo;
• Cuanto más lento sea el flujo hacia el pozo, mayor será el tiempo de residencia del agua subterránea en el medio poroso, por lo que cuanto mayor sea el tiempo disponible para la absorción de iones del medio, por lo que más dura es el agua.

Un acuífero es cualquier cuerpo de material poroso en la Tierra (roca o regolito) con suficiente volumen y porosidad conectada para producir agua apreciable a pozos o manantiales. Los acuíferos contienen una porosidad drenable relativamente grande, un volumen relativamente grande y una permeabilidad relativamente alta. El concepto de acuífero es suelto, en parte debido a esas palabras astutas apreciables y relativamente: El término se usa para cualquier volumen de material subsuperficial que sea un buen productor, o un productor potencialmente bueno, de agua, en relación con los volúmenes circundantes de material subsuperficial. Las dimensiones laterales mínimas de lo que se llaman acuíferos podrían ser tan pequeñas como decenas de metros, y las dimensiones verticales mínimas podrían ser tan pequeñas como algunos metros. Los acuíferos grandes, sin embargo, podrían tener dimensiones laterales de cientos de kilómetros y dimensiones verticales de muchas decenas de metros.

El concepto opuesto es el de un acuicludio: cualquier cuerpo de material subsuperficial a través del cual el agua pueda moverse a velocidades tan solo insignificantes, o al menos a velocidades mucho más pequeñas que a través de acuíferos adyacentes. Asimismo, el término acuitardo se emplea para cualquier cuerpo de material subsuperficial a través del cual el agua subterránea viaja lentamente, en relación con algún acuífero adyacente, pero no tan lentamente como para ser despreciable, como en un acuicludio.

Los acuíferos se pueden clasificar en cuatro tipos (Figura 4-17):

1. acuífero no confinado: acuífero en el que el agua subterránea está en contacto directo con la atmósfera suprayacente a través del espacio poroso conectado.
2. acuífero confinado: un acuífero cubierto por un acuicludio para que no esté en contacto con la atmósfera excepto en alguna zona aguas arriba de recarga.
3. acuífero permeable: un acuífero confinado cuyo acuicludio suprayacente permite un paso no despreciable de las aguas subterráneas dentro o fuera del acuífero.
4. acuífero encaramado: un acuífero no confinado presente sobre un acuicludio poco profundo y restringido lateralmente.

Los acuíferos y acuicludios pueden existir tanto a escala regional como local. La Figura 4-18 muestra una sección transversal a través de dicho sistema. Una formación sedimentaria altamente porosa y permeable, como una arenisca bien ordenada y mal cementada, está cubierta por un esquisto altamente impermeable en una gran región con ángulos de inmersión muy bajos de las formaciones. Los pozos pueden aprovechar el acuífero confinado a distancias de cientos de kilómetros del área de recarga, donde la formación del acuífero está expuesta en la superficie. Tenga en cuenta que también hay un acuífero no confinado mucho más superficial que deriva su agua mucho más localmente.

Figura 4-17. Sección transversal vertical esquemática que muestra diversos tipos de acuíferos.

Figura 4-18. Sección transversal vertical esquemática que muestra la extensión regional de acuíferos y acuicludios.

Si la pendiente superficial de la región es mayor que la pendiente de la superficie de la cabeza hidráulica asociada al acuífero confinado regional, un pozo perforado al acuífero confinado producirá un flujo de agua en la superficie del suelo, sin necesidad de bombeo (Figura 4-19). Tal pozo se llama pozo artesiano. La figura 2-20 muestra una analogía hogareña en la que riegas tu jardín con una manguera que sale de un tanque elevado de agua. En esta situación, la boquilla de la manguera es una especie de pozo artesiano. Y, en sentido amplio, si vives en una zona con un suministro de agua municipal central ¡todas las griferías de tu casa o departamento son pozos artesianos!

Figura 4-19. Sección transversal vertical esquemática que muestra la naturaleza de los pozos artesianos.

Figura 4-20. Una analogía hogareña para pozos artesianos.

Aquí hay un concepto más que es útil para tratar el suministro de agua subterránea: El rendimiento específico de un acuífero es la relación entre el volumen de agua que drena fuera del acuífero (cuando se baja el nivel freático) con respecto al volumen total del acuífero sometido a drenaje . El rendimiento específico obviamente depende de la porosidad del acuífero, pero también depende del tamaño de los espacios de poro, ya que parte del agua siempre se adhiere a las superficies de los materiales sólidos del acuífero, tanto como películas delgadas en superficies como filetes en reentrantes, y los más pequeños el tamaño de los espacios de poro, mayor es el porcentaje de la porosidad total que queda ocupada por esta agua adherida. Este concepto de rendimiento específico es análogo al de la capacidad de campo de un suelo.

Aún no he dicho nada sobre los patrones de flujo dentro de un acuífero típico. Las complejidades radican en el flujo a través de acuíferos profundos no confinados, ya que los acuíferos poco profundos no confinados (como en la Figura 4-12) o los acuíferos confinados (como en la Figura 4-18) pueden tratarse aproximadamente como flujo en ríos o conductos cerrados. Los patrones de flujo en un medio poroso son una respuesta a la distribución espacial de gradientes de presión dinámica. No se puede hacer una simple declaración sobre los patrones de movimiento sin establecer la geometría del problema y resolver la ecuación (esencialmente la segunda ley de Newton escrita en la forma apropiada) que gobierna el movimiento.

La Figura 4-21 muestra cualitativamente los patrones de flujo en un acuífero profundo típico no confinado en un área de topografía superficial irregular. Justo debajo del nivel freático en áreas donde el nivel freático está inclinado, el flujo es como cabría esperar: descendente y paralelo al nivel freático. Pero cerca de la cresta del nivel freático el flujo es casi vertical hacia abajo, y directamente debajo donde el nivel freático se fusiona con ríos y lagos el flujo es casi vertical hacia arriba. En puntos profundos dentro del acuífero, las direcciones de flujo no tienen ningún parecido evidente con la topografía superficial del nivel freático.

Figura 4-21. Patrones de flujo cualitativos en aguas subterráneas profundas.