14.2: Flujo de Agua Subterránea

Si sales a tu jardín o a un bosque o a un parque y comienzas a cavar, encontrarás que el suelo está húmedo (a menos que estés en un desierto), pero no está saturado de agua. Esto significa que parte del espacio de poro en el suelo está ocupado por agua, y parte del espacio de poro está ocupado por el aire (a menos que estés en un pantano). A esto se le conoce como la zona insaturada. Si pudieras cavar lo suficientemente lejos, llegarías al punto en que todos los espacios de poro estén 100% llenos de agua (saturada) y el fondo de tu hoyo se llenaría de agua. El nivel de agua en el hoyo representa el nivel freático, que es la superficie de la zona saturada. En la mayor parte de la Columbia Británica, el nivel freático se encuentra varios metros por debajo de la superficie.

El agua que cae sobre la superficie del suelo como precipitación (lluvia, nieve, granizo, niebla, etc.) puede fluir desde una pendiente de colina directamente a un arroyo en forma de escorrentía, o bien puede infiltrarse en el suelo, donde se almacena en la zona insaturada. El agua en la zona insaturada puede ser utilizada por las plantas (transpiración), evaporarse del suelo (evaporación), o continuar más allá de la zona radicular y fluir hacia abajo hasta el nivel freático, donde recarga el agua subterránea.

En la Figura se ilustra una sección transversal de una ladera típica con un acuífero no confinado\(\PageIndex{1}\). En áreas con relieve topográfico, el nivel freático generalmente sigue la superficie terrestre, pero tiende a acercarse a la superficie en valles, e intersecta la superficie donde hay arroyos o lagos. El nivel freático se puede determinar a partir de la profundidad del agua en un pozo que no está siendo bombeado, aunque, como se describe a continuación, eso solo aplica si el pozo se encuentra dentro de un acuífero no confinado. En este caso, la mayor parte de la ladera forma el área de recarga, donde el agua de la precipitación fluye hacia abajo a través de la zona insaturada para llegar al nivel freático. El área en el arroyo o lago a la que fluye el agua subterránea es un área de descarga.

¿Qué hace que el agua fluya de las áreas de recarga a las áreas de descarga? Recordemos que el agua fluye por los poros donde hay fricción, lo que significa que se necesita trabajo para mover el agua. También hay cierta fricción entre las propias moléculas de agua, la cual está determinada por la viscosidad. El agua tiene una viscosidad baja, pero la fricción sigue siendo un factor. Todos los fluidos que fluyen siempre están perdiendo energía por la fricción con su entorno. El agua fluirá de áreas con alta energía a aquellas con baja energía. Las áreas de recarga se encuentran en elevaciones más altas, donde el agua tiene alta energía gravitacional. Fue la energía del sol la que evaporó el agua a la atmósfera y la elevó a la zona de recarga. El agua pierde esta energía gravitacional a medida que fluye desde el área de recarga hasta el área de descarga.

En la Figura\(\PageIndex{1}\), el nivel freático es inclinado; esa pendiente representa el cambio en la energía potencial gravitacional del agua en el nivel freático. El nivel freático es mayor bajo el área de recarga (90 metros) y menor en el área de descarga (82 metros). Imagínese cuánto trabajo sería levantar agua a 8 metros de altura en el aire. Esa es la energía que se perdió por la fricción a medida que el agua subterránea fluía desde lo alto del cerro hasta el arroyo.

Figura\(\PageIndex{1}\) Una representación del nivel freático en sección transversal, con la zona saturada abajo y la zona insaturada arriba. El nivel freático se denota con un pequeño triángulo al revés.

La situación se complica mucho más en el caso de los acuíferos confinados, pero son fuentes importantes de agua por lo que necesitamos entender cómo funcionan. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\), siempre hay un nivel freático, y eso aplica aunque los materiales geológicos en la superficie tengan una permeabilidad muy baja. Donde hay un acuífero confinado —es decir, uno que está separado de la superficie por una capa de confinamiento— este acuífero tendrá su propio “nivel freático”, que en realidad se llama superficie potenciométrica, ya que es una medida de la energía potencial total del agua. La línea discontinua roja en la Figura\(\PageIndex{2}\) es la superficie potenciométrica del acuífero confinado, y describe la energía total bajo la que se encuentra el agua dentro del acuífero confinado. Si perforamos un pozo en el acuífero no confinado, el agua se elevará al nivel del nivel freático (pozo A en la Figura\(\PageIndex{2}\)). Pero si perforamos un pozo tanto a través del acuífero no confinado como de la capa de confinamiento y dentro del acuífero confinado, el agua se elevará por encima de la parte superior del acuífero confinado hasta el nivel de su superficie potenciométrica (pozo B en la Figura\(\PageIndex{2}\)). Esto se conoce como pozo artesiano, porque el agua se eleva por encima de la parte superior del acuífero. En algunas situaciones, la superficie potenciométrica puede estar por encima del nivel del suelo. El agua en un pozo perforado en el acuífero confinado en esta situación se elevaría por encima del nivel del suelo, y fluiría fuera, si no está tapado (pozo C en la Figura\(\PageIndex{2}\)). Esto se conoce como un pozo artesiano que fluye.

Figura\(\PageIndex{2}\) Una representación del nivel freático y la superficie potenciométrica de un acuífero confinado.

En situaciones en las que existe un acuitardo de extensión limitada, es posible que exista un acuífero encaramado como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Si bien los acuíferos encaramados pueden ser buenas fuentes de agua en algunas épocas del año, tienden a ser relativamente delgados y pequeños, por lo que pueden agotarse fácilmente con un exceso de bombeo.

Figura\(\PageIndex{3}\) Un acuífero encaramado sobre un acuífero regular no confinado.

En 1856, el ingeniero francés Henri Darcy realizó algunos experimentos a partir de los cuales derivó un método para estimar la tasa de flujo de agua subterránea basado en el gradiente hidráulico y la permeabilidad de un acuífero, expresado usando K, la conductividad hidráulica. La ecuación de Darcy, que ha sido ampliamente utilizada por los hidrogeólogos desde entonces, se ve así:

V = K * i

(donde V es la velocidad del flujo del agua subterránea, K es la conductividad hidráulica e i es el gradiente hidráulico).

Podemos aplicar esta ecuación al escenario de la Figura\(\PageIndex{1}\). Si asumimos que la permeabilidad es de 0.00001 metros por segundo obtenemos: V = 0.00001 * 0.08 = 0.0000008 metros por segundo. Eso equivale a 0.000048 metros por minuto, 0.0029 metros/hora o 0.069 m/día. Eso significa que tardarían 1,450 días (casi cuatro años) para que el agua recorra los 100 metros desde las inmediaciones del pozo hasta el arroyo. El agua subterránea se mueve lentamente, y esa es una cantidad razonable de tiempo para que el agua se mueva esa distancia. De hecho probablemente tardaría más que eso, porque no viaja en línea recta.

Ejercicio 14.1 ¿Cuánto tiempo tardará?

Figura\(\PageIndex{4}\)

Sue, la dueña de Joe's 24 Horas Gas, ha descubierto que su tanque de almacenamiento subterráneo (UST) está goteando combustible. Ella llama a un hidrogeólogo para averiguar cuánto tiempo podría tardar la contaminación del combustible en llegar al arroyo más cercano. Descubren que el pozo en Joe's tiene un nivel de agua que está a 37 metros sobre el nivel del mar y la elevación del arroyo está a 21 metros sobre el nivel del mar. El sedimento arenoso en esta zona tiene una permeabilidad de 0.0002 metros por segundo.

Usando V = K * i, estimar la velocidad del flujo de agua subterránea de Joe's a la corriente, y determinar cuánto tiempo podría tomar para que las aguas subterráneas contaminadas fluyan los 80 metros hacia el arroyo.

Consulte el Apéndice 3 para el Ejercicio 14.1 respuestas.

Es fundamental entender que las aguas subterráneas no fluyen en arroyos subterráneos, ni forman lagos subterráneos. A excepción de las áreas cársticas, con cuevas en piedra caliza, el agua subterránea fluye muy lentamente a través de sedimentos granulares, o a través de roca sólida que presenta fracturas en ella. Las velocidades de flujo de varios centímetros por día son posibles en sedimentos significativamente permeables con gradientes hidráulicos significativos. Pero en muchos casos, las permeabilidades son inferiores a las que hemos usado como ejemplos aquí, y en muchas áreas, los gradientes son mucho menores. No es raro que las aguas subterráneas fluyan a velocidades de unos pocos milímetros a unos pocos centímetros al año.

Figura Líneas equipotenciales\(\PageIndex{5}\) previstas (naranja) y trayectorias de flujo de agua subterránea (azul) en un acuífero no confinado. Los números anaranjados son las elevaciones del nivel freático en las ubicaciones mostradas, y por lo tanto representan la presión a lo largo de las líneas equipotenciales.

Como ya se señaló, el agua subterránea no fluye en líneas rectas. Fluye de áreas de mayor cabezal hidráulico a áreas de cabezal hidráulico inferior, y esto significa que puede fluir “cuesta arriba” en muchas situaciones. Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{5}\). Las líneas discontinuas anaranjadas son líneas equipotenciales, es decir, líneas de igual presión. Las líneas azules son las trayectorias de flujo de agua subterránea predichas. Tenga en cuenta que en algunas áreas el agua subterránea fluirá abruptamente hacia abajo, en otras áreas fluirá hacia abajo solo en un ángulo poco profundo, y en algunas áreas, especialmente cerca de las zonas de descarga, fluirá hacia arriba. Las líneas rojas discontinuas son límites sin flujo, lo que significa que el agua no puede fluir a través de estas líneas. Eso no es porque haya algo ahí para detenerlo, sino porque no hay gradiente de presión que haga que el agua fluya en esa dirección.

El agua subterránea fluye en ángulo recto con las líneas equipotenciales de la misma manera que el agua que fluye por una pendiente fluiría en ángulo recto con las curvas de nivel. El arroyo en este escenario es la ubicación con el menor potencial hidráulico, por lo que el agua subterránea que fluye hacia las partes inferiores del acuífero tiene que fluir hacia arriba para llegar a esta ubicación. Se ve forzada hacia arriba por las diferencias de presión, por ejemplo, la diferencia entre las líneas equipotenciales 112 y 110.

Figura\(\PageIndex{6}\) Agua subterránea en una región cárstica caliza. El agua en las cuevas por encima del nivel freático no se comporta como verdaderas aguas subterráneas porque su flujo no está controlado por la presión del agua, solo por la gravedad. El agua debajo del nivel freático sí se comporta como verdaderas aguas subterráneas.

El agua subterránea que fluye a través de cuevas, incluidas las de las áreas kársticas, donde las cuevas se han formado en piedra caliza debido a la disolución, se comporta de manera diferente al agua subterránea en otras situaciones. Las cuevas sobre el nivel freático son conductos llenos de aire, y el agua que fluye dentro de estos conductos no está bajo presión; solo responde a la gravedad. Es decir, fluye cuesta abajo a lo largo del gradiente del suelo de la cueva (Figura\(\PageIndex{6}\)). Muchas cuevas de piedra caliza también se extienden por debajo del nivel freático y hacia la zona saturada. Aquí el agua se comporta de manera similar a cualquier otra agua subterránea, y fluye de acuerdo con el gradiente hidráulico y la ley de Darcy.

Descripciones de las imágenes

Descripción\(\PageIndex{2}\) de la imagen de la figura: Una sección transversal mostrando tres capas. La capa superior es un acuífero no confinado. Se ha perforado un pozo en el acuífero no confinado y se ha llenado hasta la altura del nivel freático. Debajo del acuífero no confinado hay una capa de confinamiento, y debajo de eso hay un acuífero confinado. Se ha perforado un pozo a través de la capa de confinamiento y en el acuífero confinado. El agua llena ese pozo hasta la superficie potenciométrica del acuífero confinado, que, en este caso, se encuentra por encima de la capa de confinamiento. [Volver a la figura\(\PageIndex{2}\)]

Atribuciones de medios

• Figura\(\PageIndex{1}\), 14.2.3, 14.2.4, 14.2.5, 14.2.6: © Steven Earle. CC POR.