Hidrogeología: Conceptos Clave y Propiedades del Agua Subterránea

Conceptos Fundamentales de Hidrogeología

El Ciclo Hidrológico y sus Etapas

El ciclo del agua, también conocido como ciclo hidrológico, es un proceso continuo de circulación del agua en la Tierra. Las etapas principales son:

  • Evaporación: Transformación del agua líquida en vapor de agua.
  • Precipitación: Caída del agua en forma de lluvia, nieve, granizo, etc.
  • Evapotranspiración: Suma de la evaporación directa y la transpiración de las plantas.
  • Escorrentía superficial: Flujo del agua sobre la superficie del terreno.
  • Infiltración: Penetración del agua en el suelo.

Elementos Hidrológicos Principales

Los elementos hidrológicos clave en el estudio de las aguas subterráneas son:

  • Precipitación
  • Evapotranspiración
  • Escorrentía superficial
  • Infiltración

Tipos de Agua en el Suelo

El agua en el suelo se clasifica en:

  • Agua de retención
  • Agua capilar
  • Agua gravífica

Distribución Vertical del Agua en el Suelo

La distribución vertical del agua en el suelo se organiza en las siguientes zonas, en orden descendente:

  1. Zona de aireación (o zona no saturada): Contiene aire y agua.
  2. Zona saturada: Todos los poros están llenos de agua.
  3. Roca impermeable: Capa que impide el paso del agua.

Niveles y Zonas en Acuíferos

Nivel Piezométrico

El nivel piezométrico es la superficie donde la presión del agua es igual a la presión atmosférica. Este nivel separa la zona saturada de la zona no saturada.

Infiltración Eficaz

La infiltración eficaz se refiere al agua que se infiltra y alcanza la zona no saturada.

Reservas y Recursos de un Acuífero

  • Reservas: Volumen anual de agua almacenada en un acuífero.
  • Recursos: Caudal (volumen por unidad de tiempo) que puede extraerse de un acuífero.

Tipos de Acuíferos

Según sus características hidráulicas y estructurales, los acuíferos se clasifican en:

  • Acuífero libre: Su límite superior es la atmósfera.
  • Acuífero confinado: Limitado superiormente por una roca impermeable. La presión del agua es superior a la atmosférica, y el nivel freático y el nivel piezométrico no coinciden. El agua en estos acuíferos proviene principalmente de la disminución de la presión del agua.
  • Acuífero semiconfinado: Limitado superiormente por una roca semipermeable.

Relaciones Hidráulicas en Acuíferos

Isopiezas y Gradiente Hidráulico

Una isopieza es una línea que une puntos con igual cota del agua subterránea. La cota del agua subterránea se obtiene restando la profundidad del agua subterránea a la cota del sondeo.

El gradiente hidráulico indica la dirección y magnitud del cambio en la carga hidráulica. Si un acuífero A tiene un gradiente hidráulico mayor que un acuífero B contaminado, y existe conexión hidráulica, el acuífero A no se contaminará.

Porosidad

La porosidad es la fracción del volumen total de una roca o sedimento que está ocupada por espacios vacíos (poros). Existen diferentes tipos:

  • Porosidad total: Considera todos los poros, estén conectados o no.
  • Porosidad real: Considera solo los poros conectados entre sí.
  • Porosidad eficaz: Considera solo los poros por los que circula el agua gravífica. Es la más relevante para la captación de agua subterránea.

En la porosidad primaria (intergranular), el agua se mueve más lentamente que en la porosidad secundaria (fracturas).

Flujo del Agua Subterránea

Condiciones Hidrostáticas e Hidrodinámicas

  • Condiciones hidrostáticas: No hay flujo de agua. La presión del agua en la superficie piezométrica es menor que en cualquier otro punto de la zona saturada.
  • Condiciones hidrodinámicas: El agua se mueve de mayor a menor cota del agua.

Dirección y Sentido del Flujo

La dirección del flujo subterráneo es perpendicular a las isopiezas. El sentido del flujo se determina considerando dos isopiezas consecutivas, de mayor a menor valor.

Ley de Darcy

La Ley de Darcy establece una relación lineal entre la velocidad del flujo (velocidad de Darcy) y el gradiente hidráulico. Se aplica en condiciones de flujo laminar. La velocidad real del flujo es igual a la velocidad de Darcy dividida por la porosidad eficaz.

Permeabilidad y Transmisividad

Permeabilidad

La permeabilidad es la capacidad de un material para transmitir fluidos. La principal variable que la controla es la temperatura. A igualdad de otros factores, una arena será más permeable que, por ejemplo, una arcilla. La permeabilidad tiene dimensiones de longitud/tiempo (L/T). En un acuífero libre, la permeabilidad será mayor a menor profundidad y mayor tamaño de grano.

Transmisividad

La transmisividad se relaciona con la permeabilidad y el espesor saturado del acuífero. Tiene dimensiones de longitud al cuadrado/tiempo (L²/T).

Coeficiente de Almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento es adimensional. En un acuífero libre, equivale a la porosidad eficaz. En un acuífero confinado, es distinto de la porosidad eficaz. En la ecuación diferencial del flujo intervienen la permeabilidad, la transmisividad, el coeficiente de almacenamiento, el caudal y el tiempo.

Calidad del Agua Subterránea

Variables de Campo

Las variables que se deben determinar en campo son, al menos: pH, conductividad eléctrica, temperatura y Eh (potencial redox).

pH y Condiciones Redox

  • pH ácido: Valor por debajo de 7.
  • Condiciones reductoras: Alta concentración de iones nitrito y amonio.
  • Condiciones oxidantes: Presencia de sulfato, nitrato e ion férrico.

La variación de Eh afecta a los iones sulfato, sulfito, nitrato, nitrito, amonio y hierro. El pH está influenciado por la concentración de iones carbonato y bicarbonato. Con un pH inferior a 7, habrá ion bicarbonato y ácido carbónico.

Dureza e Iones Principales

La dureza total es el contenido total de iones calcio y magnesio. Los iones principales o mayoritarios en el agua subterránea son: calcio, magnesio, sodio, sulfato, cloruro y bicarbonato.

Contaminación del Agua Subterránea

En un vertido de aguas residuales urbanas, se encontrarán concentraciones altas de sulfito, nitrito y amonio. A igualdad de otros factores, es más fácil contaminar un acuífero con porosidad secundaria.

Diagramas Hidrogeoquímicos

Diagrama de Schoeller-Berkaloff

En este diagrama, la concentración de los iones se expresa en mg/L.

Diagrama de Stiff

En este diagrama, la concentración de los iones se expresa en meq/L (miliequivalentes por litro).

Diagrama de Piper

Este diagrama utiliza los iones en porcentaje de meq/L. Permite obtener la facies del agua (clasificación según la composición química). Una facies mixta es aquella en la que los cationes o aniones están por debajo del 50% de su concentración total. El diagrama de Piper permite identificar procesos hidrogeoquímicos como la mezcla de aguas, la disolución y precipitación de bicarbonatos, y la reducción de sulfatos.

Toma de Muestras de Agua

Se debe tomar la muestra de agua en un sondeo al menos diez minutos después de poner en marcha la bomba.

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