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:
- Zona de aireación (o zona no saturada): Contiene aire y agua.
- Zona saturada: Todos los poros están llenos de agua.
- 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.