11.9: Volver a lo básico sobre aguas subterráneas

Cuando muchas personas escuchan la palabra agua subterránea se imaginan un rabioso torrente subterráneo de agua que fluye a lo largo de un camino llamado acuífero. Bueno, lamento decepcionarte, pero no podrías equivocarte más sobre cómo existe y fluye el agua subterránea. En este post discutiremos los fundamentos mismos de la ciencia del agua subterránea (hidrogeología) y el flujo.

Figura 1. Un manantial que sale del esquisto cerca de Red Creek. ¡Sí, esa agua es negra! (Foto: Matt Herodes)

¿QUÉ ES EL AGUA SUBTERRÁNEA?

Como su nombre lo indica, el agua subterránea es simplemente agua que existe bajo tierra. Es lo opuesto al agua superficial, que existe en la superficie de la Tierra como lagos, ríos y océanos. El agua subterránea es un recurso extremadamente importante para la industria, el agua potable y otras aplicaciones, sin embargo, generalmente se entiende bastante poco. La rama de la geología que investiga el agua subterránea se llama hidrogeología y sigue siendo un sector relativamente nuevo de las ciencias geológicas.

Como ya he mencionado, el agua subterránea existe bajo tierra. Sin embargo, todavía hay muchos conceptos erróneos sobre cómo las personas imaginan las aguas subterráneas. Muchos ven grandes lagos y ríos subterráneos, y si bien esos existen, representan un porcentaje infinitesimalmente pequeño de todas las aguas subterráneas. En términos generales, el agua subterránea existe en los espacios porosos entre granos de suelo y rocas. Imagina una esponja llena de agua. Todos los agujeros de esa esponja están llenos de agua. Al apretar esa esponja sacamos el agua, de manera similar, al bombear un acuífero forzamos al agua a salir de los espacios porosos.

Hay muchos términos en hidrogeología, la mayoría de los cuales son muy simples, pero esenciales. Éstos son algunos de los grandes y sus significados.

Porosidad

La porosidad es una propiedad intrínseca de cada material. Se refiere a la cantidad de espacio vacío dentro de un material dado. En un suelo o roca la porosidad (espacio vacío) existe entre los granos de minerales. En un material como la grava los granos son grandes y hay mucho espacio vacío entre ellos ya que no encajan muy bien entre sí. Sin embargo, en un material como una mezcla de grava, arena y arcilla la porosidad es mucho menor ya que los granos más pequeños llenan los espacios. La cantidad de agua que un material puede contener está directamente relacionada con la porosidad ya que el agua intentará llenar los espacios vacíos en un material. Medimos la porosidad por el porcentaje de espacio vacío que existe dentro de un medio poroso particular.

Figura 2. Porosidad en dos medios diferentes. La imagen de la izquierda es analágica a la grava mientras que a la derecha las partículas más pequeñas están llenando algunos de los poros y desplazando el agua. Por lo tanto, el contenido de agua del material de la derecha es menor. (Fuente: Wikipedia)

Permeabilidad

La permeabilidad es otra propiedad intrínseca de todos los materiales y está estrechamente relacionada con la porosidad. La permeabilidad se refiere a cómo están conectados los espacios de poro entre sí. Si el material tiene alta permeabilidad, los espacios de poro están conectados entre sí permitiendo que el agua fluya de uno a otro, sin embargo, si hay baja permeabilidad entonces los espacios de poro se aíslan y el agua queda atrapada dentro de ellos. Por ejemplo, en una grava todos los poros están bien conectados entre sí permitiendo que el agua fluya a través de ella, sin embargo, en una arcilla la mayoría de los espacios de poro están bloqueados, lo que significa que el agua no puede fluir a través de ella fácilmente.

Figura 3. Video que muestra cómo los poros conectados tienen alta permeabilidad y pueden transportar agua fácilmente. Tenga en cuenta que algunos poros están aislados y no pueden transportar agua atrapada dentro de ellos.

Acuífero

Un acuífero es un término para un tipo de suelo o roca que puede retener y transferir agua completamente saturada de agua. Eso significa que todo es simplemente una capa de suelo o roca que tiene una porosidad y permeabilidad razonablemente altas que le permite contener agua y transferirla de poro a poro relativamente rápido y todos los espacios de poro se llenan de agua. Buenos ejemplos de acuíferos son suelos glaciales o arenosos que tienen alta porosidad y alta permeabilidad. Los acuíferos nos permiten recuperar las aguas subterráneas bombeando rápida y fácilmente. Sin embargo, el sobrebombeo puede reducir fácilmente la cantidad de agua en un acuífero y hacer que se seque. Los acuíferos se repone cuando el agua superficial se infiltra a través del suelo y rellena los espacios de poro en el acuífero. Este proceso se llama recarga. Es especialmente importante asegurar que la recarga esté limpia e incontaminada o que todo el acuífero pueda contaminarse. Hay dos tipos principales de acuíferos. Un acuífero no confinado es aquel que no tiene un acuitardo por encima de él sino que generalmente lo hace debajo de él. El otro tipo es un acuífero confinado que tiene un acuitardo por encima y por debajo de él.

Aquitardo

Un acuitardo es básicamente lo contrario de un acuífero con una excepción clave. Los aquitards tienen una permeabilidad muy baja y no transfieren bien el agua en absoluto. De hecho, en el suelo suelen actuar como una barrera para el flujo de agua y separan dos acuíferos. La única excepción clave es que los acuitardos pueden tener alta porosidad y contener mucha agua, sin embargo, debido a su baja permeabilidad son incapaces de transmitirla de poro a poro y por lo tanto el agua no puede fluir muy bien dentro de un acuitardo. Un buen ejemplo de un acuitardo es una capa de arcilla. La arcilla a menudo tiene alta porosidad pero casi ninguna permeabilidad, lo que significa que es esencialmente una barrera por la que el agua no puede fluir y el agua dentro de ella está atrapada. Sin embargo, todavía hay un flujo de agua limitado dentro de los aquitards debido a otros procesos en los que no voy a entrar ahora.

Figura 4.

Mesa de Agua

El nivel freático es un término que utilizan los hidrogeólogos para describir una superficie imaginaria que suele existir bajo tierra. Debajo de la capa freática todos los espacios de poro están completamente llenos de agua y por encima de ella están llenos de aire. El nivel freático es el límite entre estas dos zonas llamadas zona saturada e insaturada (vadosa). Para imaginar el nivel freático ayuda imaginar una capa que existe bajo tierra en lugar de una línea ya que el nivel freático es una superficie que se extiende en todas las direcciones. La parte superior del nivel freático está determinada por la presión del agua. Cuando la presión del agua en los espacios de poro es la misma que la presión del aire estamos en el nivel freático. El nivel freático está sujeto a subir y bajar dependiendo del bombeo de agua fuera del acuífero u otros cambios. Por último, si el nivel freático y la superficie de la Tierra se cruzan tenemos un manantial.

Figura 5. Sección transversal de cómo se ve el nivel freático como una línea. Recuerda que en realidad es una superficie que se extiende en todas las direcciones. Tenga en cuenta que el agua en el pozo solo se eleva a la superficie del nivel freático porque la presión del aire y la presión del agua son iguales en el nivel freático. (Fuente: Wikipedia)

FLUJO DE AGUA SUBTERRÁNEA

El estudio de la hidrogeología es muy matemático. Hay muchas ecuaciones complicadas, letras griegas y garabatos divertidos. Sin embargo, no necesitas un título avanzado en matemáticas para entender lo básico, pero ayuda saber un poco. Básicamente, todo el flujo de agua subterránea se puede describir mediante una sola ecuación simple. Claro, se han realizado muchas modificaciones para adaptarse a condiciones y circunstancias específicas, pero todo vuelve a los mismos principios básicos esbozados en una sola ecuación. Esa ecuación se llama Ley de Darcy (música dramática cue).

Figura 6. Henry Darcy: el padre de la hidrogeología

La ley de Darcy establece que la velocidad que fluye el agua depende del material por el que fluye y del gradiente hidráulico, que es la diferencia en el nivel del agua entre dos puntos de medición divididos por la distancia entre ellos. En términos matemáticos se ve así:

• Q es la descarga o la cantidad de agua que fluye de un material dado durante un período de tiempo establecido.
• K se llama la conductividad hidráulica y es una propiedad de cada material que nos dice la velocidad que cualquier líquido se mueve a través de un material dado. Está directamente relacionada con la porosidad y permeabilidad del material y la densidad del líquido en cuestión. Sin embargo, para el agua no necesitamos preocuparnos por la densidad, solo la porosidad y permeabilidad.
• generalmente se representa por la letra i y se llama gradiente hidráulico. Es la diferencia en el nivel del agua entre los dos puntos de medición dividido por la distancia entre ellos.

Aquí hay una representación gráfica de las propiedades que conforman la ley de Darcy:

Figura 7. Representación gráfica de la Ley de Darcy en un hipotético medio poroso con dos puntos de medición (h ₁ y h ₂) y una conductividad hidráulica de K. (Matt Herodes — 2011)

Entonces ahora entendemos algunos de los principios básicos que rigen el flujo de agua subterránea, pero no hemos discutido por qué fluiría de un lugar a otro. Todos damos por sentado que el agua subterránea no es estacionaria y se mueve, pero ¿por qué es eso? La respuesta es sorprendentemente simple, y radica en el hecho de que todo en la naturaleza está en una lucha constante por encontrar el equilibrio.

El agua fluye de áreas de alta energía a baja energía en un intento de distribuir esa energía de manera uniforme por todo el nivel freático. En este caso la energía no es sinónimo de electricidad, sino energía en todas sus formas, como diferencias de presión o concentración. En el caso del nivel freático, la fuerza motriz suele ser diferencias de presión y elevación a lo largo de la superficie del nivel freático que conducen al flujo de agua. En términos hidrogeológicos estas diferencias de energía se denominan cabeza hidráulica, la cual se puede medir en cualquier punto del nivel freático. Es útil imaginar el clima cuando pensamos en el flujo de agua subterránea. Todos sabemos que el viento se mueve de áreas de alta presión de aire a baja presión de aire trayendo consigo cambios climáticos y frentes de temperatura. El agua subterránea se comporta igual y se mueve de lugares con alto cabezal hidráulico a bajo cabezal hidráulico igual que el viento.

Obviamente hay mucho más que discutir en el campo de la hidrogeología. Los grandes temas son esto como la contaminación o los recursos de agua dulce. Sin embargo, para discutir esos temas adecuadamente es crucial tener una comprensión sólida de los términos y conceptos básicos de las aguas subterráneas. Por favor, siéntase libre de comentar si tiene alguna sugerencia para futuras publicaciones sobre aguas subterráneas. Gracias por leer.

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