11.8: Agua subterránea
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Propiedades
Permeabilidad y Porosidad
La mayoría de las rocas no son del todo sólidas y contienen una cierta cantidad de espacio abierto entre granos o cristales, conocidos como poros. La porosidad es una medida del espacio abierto en las rocas, expresado como el porcentaje de espacio abierto que constituye el volumen total de la roca o material sedimentario. La porosidad puede ocurrir como porosidad primaria, que representa los espacios de poro originales en la roca (por ejemplo, espacio entre granos de arena, vesículas en rocas volcánicas), o porosidad secundaria que ocurre después de que se forma la roca (por ejemplo, fracturas, porciones disueltas de roca). La litificación de sedimentos no consolidados reducirá la porosidad porque compacta los granos y agrega cemento (ver capítulo 5.3). El agua atrapada en los poros no conectados de la roca durante los procesos de deposición y litificación se llama agua connate.
La permeabilidad es una medida de la interconexión de los poros en una roca o sedimento. Las conexiones entre los poros permiten que ese material transmita agua. Una combinación de un lugar para poner agua (porosidad) y la capacidad de mover el agua (permeabilidad) hace un buen acuífero, una unidad rocosa o sedimento que contiene agua subterránea extraíble. Los sedimentos bien clasificados tienen mayor porosidad porque no hay partículas de sedimento más pequeñas que llenan los espacios entre las partículas más grandes. Las arcillas generalmente tienen una porosidad muy alta, pero los poros están mal conectados, lo que provoca baja permeabilidad.
Si bien la permeabilidad es importante como medida de la capacidad de transmitir fluidos, generalmente no es el descriptor más utilizado entre los geólogos para esta propiedad. La conductividad hidráulica es otra medida común de la conexión de los espacios porosos y es una función tanto de la permeabilidad como de las propiedades de los fluidos. Debido a que considera las propiedades de los fluidos, la conductividad hidráulica es utilizada tanto por geólogos petroleros como por hidrogeólogos para describir la capacidad de producción de yacimientos de petróleo y acuíferos. Una alta conductividad hidráulica indica una rápida transmisión de fluido a través de un acuífero. Las gravas no consolidadas, las rocas altamente fracturadas y disueltas y las areniscas bien clasificadas tienen altas conductividades hidráulicas.
Acuíferos y Capas Confinantes
Un acuífero es un material geológico capaz de suministrar agua en cantidades utilizables. El material geológico incluye cualquier roca o sedimento. Para que un material geológico sea considerado acuífero, debe estar al menos parcialmente saturado, donde sus espacios abiertos estén llenos de agua, y ser permeable, es decir, capaz de transmitir agua. Para los acuíferos de agua potable, el agua también debe ser potable. Los acuíferos pueden variar drásticamente en escala, desde abarcar varias formaciones hasta estar limitados a un área pequeña en la ladera de una colina. Los acuíferos adecuados para el suministro de agua son permeables y porosos.
Un buen acuífero proporcionará una cantidad suficiente de agua para satisfacer la demanda. La cantidad de agua que un acuífero puede contener y transmitir se rige por sus propiedades físicas. Lo más simple es que la porosidad y permeabilidad del acuífero (definidas anteriormente) son variables que rigen su conductividad hidráulica y su almacenamiento.
Una capa de confinamiento es una capa de material geológico de baja permeabilidad que restringe el flujo de agua hacia o desde el acuífero. Las capas confinantes incluyen acuicludios (también conocidos como acuíferos), que son tan impermeables que no pasa agua a través de ellos, y aquitards, que disminuyen significativamente la velocidad a la que el agua viaja a través de ellos debido a su baja permeabilidad.
Flujo de agua subterránea
De la superficie al suelo
Cuando el agua superficial se infiltra o se filtra en el suelo, generalmente ingresa a la zona insaturada (también conocida como zona vadosa, también conocida como zona de aireación). La zona vadosa es el volumen de material entre la superficie terrestre y la zona de saturación, que consiste en materiales geológicos en los que los espacios porosos no están completamente llenos de agua [34]. Las raíces de las plantas habitan la zona vadosa superior. En la zona vadosa, la presión del fluido en los poros es menor que la presión atmosférica. Por debajo de la zona vadosa se encuentra la franja capilar. La franja capilar es la zona generalmente delgada debajo de la zona vadosa donde los poros están completamente llenos de agua (saturación), pero la presión del fluido es menor que la presión atmosférica. Los poros en la franja capilar se llenan debido a la acción capilar, descrita en la sección Propiedades del Agua anterior. Por debajo de la franja capilar se encuentra la zona saturada (también conocida como zona freática), donde los poros están completamente saturados y el fluido en los poros está a o por encima de la presión atmosférica [34]. La interfaz entre la franja capilar y la zona saturada marca la ubicación del nivel freático.
Mesa de Agua
Los W ells son conductos que se extienden hacia el suelo con aberturas a los acuíferos, para extraer, medir y, a veces, agregar agua al acuífero. Los pozos son generalmente la forma en que los geólogos e hidrólogos miden la profundidad a las aguas subterráneas de la superficie terrestre, así como retiran el agua de los acuíferos.
El agua se encuentra a lo largo de la porosidad en sedimentos y lecho rocoso. El nivel freático es el área en la que los poros están completamente saturados de agua. El caso más sencillo de un nivel freático es cuando el acuífero no está confinado, lo que significa que no tiene una capa de confinamiento por encima de él. Las capas confinantes pueden presurizar los acuíferos atrapando el agua que se recarga a una mayor elevación debajo de la capa de confinamiento, permitiendo una superficie potenciométrica más alta que la parte superior del acuífero, y a veces más alta que la superficie terrestre. La superficie potenciométrica representa la altura a la que subiría el agua en un pozo penetrando en el sistema acuífero presurizado. Las brechas en el sistema acuífero presurizado, como fallas o pozos, pueden causar manantiales o pozos que fluyen, también conocidos como pozos artesianos.
El nivel freático generalmente reflejará la topografía de la superficie, aunque más tenue porque la presión hidrostática es igual a la presión atmosférica a lo largo de la superficie del nivel freático. Si el nivel freático se cruza con la superficie del suelo, el resultado será agua en la superficie en forma de un arroyo, manantial, lago o humedal que gana. El nivel freático cruza el canal para obtener arroyos que luego obtienen agua del nivel freático. Los canales para arroyos perdedores se encuentran por debajo del nivel freático, por lo que los arroyos pierden agua al nivel freático. La pérdida de arroyos puede ser estacional durante una estación seca o efímera en climas secos donde normalmente pueden estar secos y transportar agua solo después de tormentas pluviales. Los arroyos efímeros representan un grave peligro de inundaciones repentinas en climas secos.
En el video se menciona el sitio de Vigilancia de Aguas Subterráneas del USGS. Aquí está el enlace a ese sitio: groundwaterwatch.usgs.gov/
Los geólogos miden la altura del nivel freático y la superficie potenciométrica utilizando pozos. Las gráficas de la profundidad al agua subterránea a lo largo del tiempo se conocen como hidrogramas. Los hidrogramas pueden indicar cambios en el nivel freático a lo largo del tiempo. El nivel del agua en un pozo puede cambiar muy frecuentemente (cada minuto), estacionalmente, y durante largos periodos de tiempo, y es controlado por muchas fuerzas.
Ley de Darcy
La Ley de Darcy fue una relación empírica establecida por Henry Darcy en 1856 mostrando cómo descargar a través de un medio poroso es controlado por permeabilidad, presión y área transversal. En su experimento, Darcy utilizó tubos de sedimento empacado con agua corriendo a través de ellos. Las relaciones descritas por la Ley de Darcy tienen similitudes cercanas con la ley de Fourier en el campo de la conducción de calor, la ley de Ohm en el campo de las redes eléctricas o la ley de Fick en la teoría de la difusión. La Ley de Darcy proporciona una medida cuantitativa de la conductividad hidráulica y la descarga.
\[Q=K*A*\frac{Δh}{L}\]
CC BY-SA 2.5], vía Wikimedia Commons" width="431" src="https://geo.libretexts.org/@api/deki...Darcys_Law.png">- Q = flujo (volumen/tiempo)
- K = conductividad hidráulica (longitud/tiempo)
- A = área transversal de flujo (área)
- Δh = cambio en la carga de presión (diferencia de presión)
- L = distancia entre mediciones de presión (h) (longitud)
- Δh/L se conoce comúnmente como el gradiente hidráulico
Cono de Depresión
El bombeo de agua de un acuífero baja el nivel freático o la superficie potenciométrica alrededor del pozo. En un acuífero no confinado, el nivel freático se baja a medida que se elimina el agua del acuífero cerca del pozo. En un acuífero confinado, se reduce la presión alrededor del pozo. La cantidad de cambio desde antes del bombeo hasta el nivel de bombeo se denomina reducción. La reducción es la más cercana al pozo, lo que resulta en un patrón concéntrico de reducción denominado cono de depresión.
Cuando un cono de depresión se cruza con otro cono de depresión o una característica de barrera como un bloque de montaña impermeable, la reducción se intensifica. Cuando un cono de depresión se cruza con una zona de recarga, el cono de depresión disminuye.
Recarga
El área de recarga es donde el agua superficial ingresa a un acuífero a través del proceso de infiltración. Las áreas de recarga son generalmente la ubicación topográficamente más alta de un acuífero. Se caracterizan por perder arroyos y sedimentos o rocas que permiten la infiltración en el subsuelo. Las áreas de recarga marcan el inicio de las vías de flujo de agua subterránea
En la región Cuenca y Cordillera, las zonas de recarga para los acuíferos no consolidados de las áreas del valle se encuentran a lo largo de los márgenes del valle, cerca de las estribaciones de las montañas. En Salt Lake Valley, a medida que los arroyos de montaña abandonan las zonas montañosas, pierden agua ante los yacimientos deltaicas ricos en grava del antiguo lago Bonneville.
La recarga se puede inducir a través de la práctica de manejo acuífero de almacenamiento y recuperación del acuífero. Los pozos de inyección y las galerías de infiltración (cuencas) permiten que los humanos aumenten la tasa de recarga en un sistema acuífero [35]. Los pozos de inyección bombean agua a un acuífero. Los pozos de inyección son regulados por los gobiernos estatales y federales para garantizar que el agua inyectada no impacte negativamente en la calidad o suministro de las aguas subterráneas existentes en el acuífero. Algunos acuíferos son capaces de almacenar cantidades significativas de agua, lo que permite a los administradores de agua utilizar el sistema acuífero como un reservorio superficial. El agua se almacena en el acuífero durante períodos de baja demanda de agua y alto suministro de agua y posteriormente se extrae en tiempos de alta demanda de agua y bajo suministro de agua.
Descarga
Las áreas de descarga son donde las aguas subterráneas emergen en la superficie terrestre. El agua subterránea emerge en la superficie terrestre cuando la superficie potenciométrica o el nivel freático intersecta la superficie terrestre. Estas áreas se caracterizan por manantiales, pozos que fluyen (artesianos), arroyos ganaderos y playas. Las áreas de descarga marcan el final de las vías de flujo de agua subterránea En la cuenca y cordillera del oeste de los Estados Unidos, las zonas de descarga se encuentran típicamente en el centro de las cuencas del valle, donde los lagos de playa, manantiales y arroyos ganaderos significan que las aguas subterráneas emergen en la superficie terrestre.
Minería y hundimiento de aguas subterráneas
El agua subterránea como recurso limitado
Al igual que otros recursos naturales de nuestro planeta, la cantidad de agua dulce y potable es finita. La única fuente natural de agua en la tierra es del cielo en forma de precipitación. Debido a una lenta tasa de desplazamiento, áreas de recarga limitadas e intensificación de la extracción y la demanda, en muchos lugares las aguas subterráneas se extraen más rápido de lo que se está reponiendo. Cuando el agua subterránea se extrae más rápido de lo que la recarga puede renovarla, los niveles de agua subterránea (superficies potenciométricas) disminuyen y las áreas de descarga pueden disminuir o secarse por completo. La disminución regional del agua subterránea inducida por bombeo se conoce como minería de aguas subterráneas o sobregiro de aguas subterráneas La minería de aguas subterráneas puede conducir a pozos secos, disminución del flujo de manantial y flujo de corriente, y hundimiento. Donde hay un descenso continuo del nivel freático en un área, por ejemplo, la extracción por bombeo es mayor que la reposición por precipitación, la minería de aguas subterráneas está ocurriendo.
Subsidencia
En muchos lugares, el agua realmente ayuda a sostener el esqueleto del acuífero por la presión del agua ejercida sobre los granos en un acuífero. Si la presión de los poros disminuye debido a la minería del agua subterránea, el acuífero puede compactarse, haciendo que la superficie del suelo se hunda. Las áreas especialmente susceptibles a este efecto son los acuíferos hechos de sedimentos no consolidados. Los sedimentos no consolidados con múltiples capas de arcilla y otro material de grano fino están en mayor riesgo porque la arcilla puede compactarse considerablemente cuando se drena de agua [36, 37].
En muchos casos, la cantidad de compactación en un área será mayor que la cantidad de compactación en un área adyacente. Las diferentes cantidades de compactación en áreas que están una al lado de la otra pueden hacer que el terreno se desplace y desarrolle grietas y fisuras.
El hundimiento de la minería de aguas subterráneas se ha documentado en el suroeste de Utah, notablemente Cedar Valley, Condado de Iron, Utah. Los niveles de agua subterránea han disminuido más de 100 pies en ciertas partes de Cedar Valley, causando fisuras terrestres y cantidades mensurables de hundimiento de tierra.
La foto muestra documentación de hundimiento del bombeo de agua subterránea para riego en el Valle Central en California. Las fechas marcadas en el poste muestran la elevación del terreno en el pasado.