HIDROGEOLOGÍA
La hidrogeología es un factor determinante en la ocurrencia de deslizamientos de tierra. La mayoría de los deslizamientos que ocurren en las zonas tropicales están relacionados con eventos de lluvias. Si se conoce con cierta precisión el compor comportam tamien iento to hidrog hidrogeol eológi ógico co de un sitio sitio o área área determ determina inada da,, es posibl posible e pronosticar la ocurrencia de deslizamientos, flujos o avalanchas, relacionados con los eventos de lluvias, lo cual permitiría activar programas de manejo de riesgos. Sin embargo la mayoría de los deslizamientos ocurren en condiciones geológica geológicas s complejas complejas y la modelació modelación n hidrogeoló hidrogeológica gica es difícil. difícil. Se requiere requiere rea realiz lizar un trab rabajo muy etenso de investigación ión con muy buena inst instru rume ment ntac ació ión n para para obte obtene nerr info inform rmac ació ión n deta detall llad ada a !til !til de la resp respue uest sta a hidr hidrol ológ ógic ica a para para el mane manejo jo prác prácti tico co de desl desliz izam amie ient ntos os espe especí cífic ficos os.. La hidrogeología no es una ciencia eacta y es difícil cuantificar los procesos con precisión precisión con ecepción ecepción de casos casos relativame relativamente nte sencillos sencillos.. Sin embargo, embargo, el estado estado actual actual del conoc conocimi imient ento o sobre sobre la respue respuesta sta hidrog hidrogeol eológi ógica ca de los talu talude des s perm permit ite e ente entend nder er algu alguno nos s de los los fenó fenóme meno nos s y meca mecani nism smos os de respuesta, lo cual facilita el análisis general de casos específicos. Se debe partir del conocimiento lo más completo posible de la meteorología, hidrología, geología y geotecnia de la zona a analizar. Las lluvias en el sistema climático tropical dependen en buena parte de la zona de convergencia intertropical y generalmente los eventos de deslizamientos catastróficos están relacionados con varia variacio ciones nes de la zona zona de conve converge rgenc ncia ia los cuales cuales ocasio ocasiona nan n lluvia lluvias s etraordinarias, las cuales a su vez act!an como activadoras de deslizamientos de tierra. Son los eventos lluviosos etremos los que más efecto tienen sobre la ocurrencia de deslizamientos de tierra. "or ejemplo la mayoría de los eventos de desl desliz izam amie ient ntos os cata catast stró rófi fico cos s ocur ocurri rido dos s en el #ort #orte e de $olo $olomb mbia ia,, en %enez %enezuel uela a $entro $entroam& am&ric rica a y '&ico '&ico están están relaci relaciona onados dos con con &poca &pocas s de (la #i)a*, y en +l "er! y +cuador generalmente están relacionados con &pocas de (el #i)o*.
La hidrogeología es una rama de la geología aplicadadentro de la -eodinámica +terna, que estudia las aguas subterráneas en lo relacionado con su circulación, sus condicionamientos geológicos y su captación.
es la ciencia que estudia el origen y la formación de las aguas subterráneas, las formas de yacimiento, su difusión, movimiento, r&gimen y reservas, su interacción con los suelos y rocas, su estado líquido, sólido y gaseoso y propiedades físicas, químicas, bacteriológicas y radiactivas/ así como las condiciones que determinan las medidas de su aprovechamiento, regulación y evacuación.
0ctualmente los estudios hidrogeológicos son de especial inter&s no solo para la provisión de agua a la población sino tambi&n para entender el ciclo vital de ciertos elementos químicos, como así tambi&n para evaluar el ciclo de las sustancias contaminantes, su movilidad, dispersión y la manera en que afectan al medio ambiente, por lo que esta especialidad se ha convertido en una ciencia básica para la evaluación de sistemas ambientales complejos. +l abordaje de las cuestiones hidrogeológicas abarcan1 la evaluación de las condiciones climáticas de una región, su r&gimen pluviom&trico, la composición química del agua, las características de las rocas como permeabilidad, porosidad, fisuración, su composición química, los rasgos geológicos y geotectónicos, es así que la investigación hidrogeológica implica, entre otras, tres temáticas principales1
+l estudio de las relaciones entre la geología y las aguas subterráneas.
+l estudio de los procesos que rigen los movimientos de las aguas subterráneas en el interior de las rocas y de los sedimentos.
+l estudio de la química de las aguas subterráneas hidroquímica e hidrogeoquímica
+n la legislación actual2 se define como acuífero 3las formaciones geológicas por las que circulan aguas subterráneas3, aunque es una definición correcta parece algo simplista al no considerar ninguna de las propiedades o características que definen estas estructuras, pues eisten formaciones por las que circula agua, pero lo hace en cantidades tan peque)as o a velocidades tan reducidas que apenas pueden ser aprovechadas. La hidrogeología es aquella parte de la hidrología que corresponde al almacenamiento, la circulación y la distribución de las aguas subterráneas.
4 $alidad 4 $antidad 4 'edio ambiente ‐ $ambio climático 4 5epósitos de residuos medios de baja permeabilidad 4 $omportamiento geot&cnico
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6nter&s hidrogeológico1 desde la infiltración infiltración de la lluvia hasta descarga del acuífero al agua superficial río, lago, mar etc.
El balance hídrico P = ET + Esup + Esub + V " 7 precipitación +8 7evapotranspiración +sup7 escorrentía superficial +sub 7 escorrentía subterránea ∆%
7 almacenamiento negativo o positivo
+l agua desciende hasta encontrar una capa de roca impermeable y se acumula en los poros, formando la zona de saturación. +l contacto entre las dos zonas se llama nivel freático.
LA!I"IAI#$ DE LO! A%Í"ERO! Son muchas las clasificaciones que se han hecho de los acuíferos en función de criterios diversos hidrogeológicos económicos, geológicos. etc. pero lo que más nos interesa es el empleo de la vulnerabilidad a la contaminación microbiológica, como criterio de diferenciación, en base a esto podemos hablar de1
Acuí&eros libres o &re'(ico +l agua subterránea contenida en &l está en contacto con la atmósfera a trav&s de los poros o fisuras eistentes en la zona no saturada/ la parte superior de la zona saturada 9la superficie freática9 está a la presión
atmosf&rica. +l agua de los pozos en este tipo de acuíferos se encuentra a la profundidad de la superficie freática. Sin embargo, en ciertas ocasiones en que los pozos penetran a profundidades considerables, el agua puede alcanzar cotas inferiores al nivel freático o superiores a &ste, llegando eventualmente a rebasar la superficie del terreno pozos surgentes. :n caso particular de acuíferos libres son los acuíferos colgados, peque)as formaciones permeables aisladas de los acuíferos regionales por lentejones o niveles poco permeables que impiden la coneión hidráulica con el resto, quedando suspendido o 3colgado3 el nivel freático local por encima de la superficie de saturación general.
Acuí&eros con&inado o cau(i)o
0qu&l en que el agua está, en cualquier punto del mismo, a mayor presión que la atmosf&rica, razón por la cual al efectuar una perforación el agua asciende hasta un nivel superior al del techo del acuífero, en que se equilibra la presión hidráulica con la atmosf&rica. 0 este nivel ideal determinado por todos los puntos de equilibrio de la presión del agua con la atmosf&rica se le denomina superficie piezom&trica. Los pozos perforados en estos acuíferos reciben el nombre de artesianos, siendo a veces tambi&n surgentes cuando el nivel piezom&trico está por encima de la superficie topográfica. Los acuíferos cautivos se caracterizan por estar separados de la atmósfera por materiales impermeables o confinantes acuicludos. +l caso más simple y conocido, aunque no el !nico, lo constituye una estructura sinclinal en una formación porosa y permeable entre materiales
impermeables, estando el área de recarga situada por encima del resto del acuífero.
Acuí&eros se*icon&inados
La roca encajante no es totalmente impermeable, permitiendo el paso de cierta cantidad agua a su trav&s, la formación semipermeable se denomina acuitardo La baja permeabilidad del acuitardo no permite su aprovechamiento mediante captaciones, sin embargo, la cantidad de agua que atravesándolo llega al acuífero puede suponer un porcentaje importante de la recarga total de este Las características de este tipo de acuífero, pueden considerarse en cierta medida intermedia entre las de uno libre y otro confinado +stos modelos tan simplistas no suelen encontrarse en la naturaleza, normalmente se producen estructuras mucho más complejas, de tipo multicapa, en las que se superponen varios acuíferos semiconfinados o en carga, en cuya parte superior puede eistir uno libre.
Es(as *odelos pueden a su )e, di&erenciarse en
Acuí&eros porosos $uando están constituidos por materiales sueltos1 arenas, gravas. etc., encontrándose el agua en el espacio intragranular que queda entre partículas Las características del acuífero están determinadas principalmente por la tetura granulometría de los materiales y el tipo y cantidad de arcillas que contienen, en especial la presencia de arcillas epansibles como las montmorillonitas pueden modificar notablemente las características de transmisividad hidráulica de la porción superior de la zona no saturada y del suelo al formarse grietas de desecación en &pocas de fuerte estiaje.
Acuíferos karstificados y/o fisurados: Su material constitutivo 9 la mayoría de las ocasiones con una permeabilidad primaria muy reducida presenta numerosas grietas fracturas y oquedades, ya sea debido a procesos de disolución calizas y dolomías, yesos etc. o a la aparición de fracturas de muy diverso origen en materiales insolubles granitos, basaltos, etc. a trav&s de las cuales circula el agua +stos acuíferos se forman sobre gran variedad de materiales, siendo los de mayor importancia 9por el volumen de aguas que se aprovecha9 ;os formados en
"ara comprender y eplicar cómo pueden influir las características del suelo sobre la composición del agua de un acuífero es necesario conocer en detalle su funcionamiento, en este apartado se eplica de forma general la teoría de funcionamiento de los acuíferos :n acuífero puede considerarse similar a un embalse superficial, en ambos casos puede hablarse de una capacidad de almacenamiento, de unas entradas y salidas, de una capacidad de regulación, un plan de eplotación, etc 5e forma natural los acuíferos disponen de unas zonas a trav&s de las cuales penetra el agua, son las zonas de recarga y una vez que se llega al límite de su capacidad de almacenar agua de unos 3rebosaderos3 naturales, son las zonas de descarga. +l agua de recarga puede proceder de la lluvia o nieve que se infiltran a trav&s de superficies permeables de la infiltración de ríos o ramblas, de la aportación subterránea de otros acuíferos con los que tiene contacto hidráulico, etc. 5ebido a la acción del hombre han surgido nuevos entes de recarga, que en muchos casos representan un volumen muy significativo del total de agua infiltrada, estas fuentes son1
=etornos de riego 6nfiltración de canales y acequias no revestidos o en mal estado >ugas de embalses, infiltración de vertidos urbanos o de otro tipo. >ormas controladas de infiltración, principalmente las balsas de infiltración y los sondeos de inyección.
+l agua sale del acuífero, y lo hace, en el caso de encontrarse en funcionamiento en r&gimen natural, antes de realizar captaciones de aguas subterráneas, por manantiales descargas a cauces de ríos hacia otros acuíferos vecinos, y en el caso de tratarse de un acuífero costero, al mar +n condiciones de r&gimen natural, un acuífero está mal aprovechado, porque no se utilizan las descargas de los manantiales al no adaptarse &stas al programa de demandas y no se pueden controlar eficazmente las descargas subterráneas.
+s frecuente que se produzcan flujos muy diversos y complejos, tanto en magnitud del recorrido como en las trayectorias seguidas por el agua subterránea. +sta circunstancia es especialmente destacable en los sistemas hidrogeológicos de gran etensión y de espesor considerable, como es el caso de las grandes cuencas sedimentarias, donde el flujo responde esencialmente al modelo propuesto por ?ubbert o, a gran escala, al modelo de 8oth, cuando eiste un manifiesto gradiente topográfico en la región. @. Sistemas hidrogeológicos. +stos modelos se complican mucho si se contempla en detalle las trayectorias seguidas por el agua en la zona saturada, ya que usualmente el medio hidrogeológico es heterog&neo y anisótropo. +n muchos casos, la gran heterogeneidad que presenta el medio hace aconsejable considerarlo como un sistema hidrogeológico 3multicapa3, en que alternan niveles permeables con otros semipermeables o confinantes acuíferos con acuitardos yAo acuicludos.
La propiedad de la roca que la hace almacenar agua es la porosidad que se define como1 2fracción de espacios vacíos que contiene un material solido respecto al volumen total3. +s preciso diferenciar la porosidad total que acaba de ser definida de la porosidad eficaz que se refiere !nicamente a los poros interconectados y que por tanto contribuyen al flujo de agua subterránea. La medida de la porosidad de los materiales, sobre todo en el caso de acuíferos libres, puede proporcionar una buena estimación del agua que puede contener. La roca, además de contener agua debe ser capaz de cederla en cantidades aprovechables, a dicha cualidad se la denomina permeabilidad B "or ejemplo, hay arcillas que pueden absorber notables cantidades de agua en su espacio poroso la mayoría de las veces superior al CDED en volumen, pero bajo condiciones naturales no la ceden, sino que la retienen en su masa al encontrarse retenida por intensas fuerzas capilares La permeabilidad se define como el flujo de agua que atraviesa una sección unitaria de acuífero bajo la influencia de un gradiente unitario a la temperatura de campo.
2
c d γ K = μ
Donde B 7 "ermeabilidad c 7 constante adimensional 2
d =¿ factor que depende de la superficie γ =¿ peso específico del fluido μ
7 viscosidad del fluido a la temperatura de campo
+l termino cdF 7 < se conoce como permeabilidad especifica o intrínseca y depende !nicamente de las características del terreno La permeabilidad, B 7 L89G, se epresa normalmente en mAdía. +n general. permeabilidad y porosidad son parámetros que definen las características hidráulicas del acuífero +n la práctica se utiliza el parámetro transmisividad8, que es el producto de la permeabilidad del acuífero por su espesor saturado La transmisividad se define tambi&n como (el caudal de agua que proporciona una sección de ancho unidad de frente acuífero sometida a un gradiente del GDDH*.
Las unidades de transmisividad son: 87L@A8 AL7LF89G epresándose normalmente en mFAdía
La permeabilidad es un índice de la facilidad con la que el agua atraviesa los materiales del acuífero, pero no dice nada sobre la cantidad que puede ceder. Itro parámetro importante es el coeficiente de almacenamiento S. representa la cantidad de agua cedida por un prisma de acuífero de un metro cuadrado de sección y altura la de &ste cuando el nivel piezom&trico desciende un metro. +l coeficiente de almacenamiento no siempre depende de forma eclusiva, como en principio pudiera parecer, de la porosidad eficaz del acuífero pues el agua que una formación puede ceder proviene, además de vaciado de los poros, de un proceso de distensión elástica de la estructura especialmente en acuíferos en carga o a presión. +l efecto más inmediato de esta propiedad es que acuíferos en apariencia similar con la misma cantidad de espacio poroso pueden proporcionar cantidades de agua diferentes.
Los conceptos hasta ahora definidos son suficientes para eplicar lo que se entiende por capacidad de almacenamiento o reservas, que en definitiva será la cantidad de agua utilizable mediante bombeos las reservas como el producto de la superficie del acuífero por su espesor saturado de agua y por su coeficiente de almacenamiento.
OTRO! O$EPTO! - DE"I$IIO$E!. $i)el pie,o*/(rico0 ni)el &re'(ico
La superficie freática es como el lugar geom&trico de los puntos de agua donde la presión hidrostática se iguala a la presión atmosf&rica, es el nivel que alcanza el agua en un acuífero libre. +l agua puede ascender a!n más por efecto de las fuerzas capilares, encontrándose en este caso sometida a una presión negativa. +l nivel piezom&trico en un punto del acuífero es el nivel que alcanzaría el agua si se pone en contacto con la atmósfera. #ivel piezom&trico y nivel freático coinciden en el caso de acuíferos libres. +n la figura F.J puede verse un esquema que muestra las relaciones entre nivel piezom&trico y freático.
!uelo0 ,ona no sa(urada $on frecuencia, en los trabajos de contaminación de las aguas subterráneas se habla de forma indistinta refiri&ndose al suelo y a la zona no saturada, prefiri&ndose la palabra suelo como t&rmino gen&rico con lo que frecuentemente se hace referencia a suelos que tendrían seg!n este criterio decenas o incluso centenares de metros de espesor. +n este tipo de trabajo debiera considerarse el suelo tal y como es considerado en la edafología, pues se trata de una unidad claramente diferenciada del resto de la zona no saturada y con la entidad e importancia suficientes para hacerlo así, el suelo es además la parte más activa desde el punto de vista de depuración de las aguas al contener la mayoría de la materia orgánica de la zona no saturada y mantener la actividad biológica. 0sí pues, se define el suelo como 3La materia mineral no consolidada de la superficie de la tierra que está sujeta a la influencia de los factores gen&ticos y medioambientales material original, clima incluyendo temperatura y r&gimen de humedad, macro y micro organismos. topografía, los cuales interactuando durante prolongados periodos de tiempo proporcionan unas propiedades biológicas, físicas, químicas y morfológicas características. La zona no saturada es la porción superior del acuífero cuyos poros no se encuentran saturados de agua, incluyendo el suelo y la franja de agua capilar. +n la figura F.J se muestra de forma esquemática la distribución del agua en el subsuelo. +n principio, cabe diferenciar dos zonas principales, la zona de agua subterránea o de saturación, en la cual todos los poros se encuentran llenos de agua, su límite superior lo constituye el nivel freático, la interfase entre la zona de saturación y de aireación 9que es la otra zona principal9 no es abrupta, está formada por una franja de agua capilar de mayor o menor espesor seg!n las características de los materiales acuíferos. +n la zona de aireación, tambi&n llamada intermedia o vadosa, los poros pueden estar llenos de aire, con agua en tránsito hacia la zona saturada por efecto de la gravedad agua gravitacional o con agua retenida por fuerzas capilares o peliculares agua capilar o pelicular. "or !ltimo, en
la porción superior, se encuentra el agua del suelo, en todo similar a la de la zona no saturada.
Calidad, contaminación del agua. $omo se vio en el capítulo anterior, pueden encontrarse aguas de p&sima calidad muy sulfatadas, cloruradas, o duras, etc. sin que por ello se encuentren contaminadas, incluso el hecho de introducir sustancias etra)as puede llegar a mejorar la calidad del agua para un uso determinado es el caso del eceso de nitratos en la agricultura, por ello definir lo que se entiende como contaminación plantea más problemas de los que en principio pudiera parecer sobre todo si corno sucede frecuentemente se intenta relacionar de forma directa las ideas de calidad y contaminación.
+n general se ha relacionado siempre el carácter de un agua como contaminada y la adecuación al uso que de ella se hace, cuando K como veremos más adelante9 no siempre debería ser así. La legislación define contaminación del agua como (la acción y el efecto de introducir materias o formas de energías, o introducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica*. +l concepto de degradación del dominio p!blico hidráulico a efectos de esta ley incluye las alteraciones perjudiciales del entorno afecto a dicho dominio. "or su parte $ustodio GM@ presenta 6a siguiente definición (:n curso de agua se considera polucionado cuando la composición o el estado de las aguas son directa o indirectamente modificadas por la actividad del hombre en una medida tal que su utilización se ve restringida para todos o para algunos de aquellos usos para los que podría servir en estado natural. 5e lo anteriormente epuesto se deduce que agua natural no es necesariamente sinónimo de calidad, un agua natural no tiene por que ser apta al uso que de ella queramos hacer como es el caso de aguas duras
que son poco adecuadas para los circuitos de refrigeración, pero pueden ser perfectamente utilizables para el consumo, en el caso opuesto cuando un elevado contenido de nitratos desaconseja el uso del agua para bebida y sin embargo puede ser perfecta para el riego o circuitos de refrigeración.
Vulnerabilidad, riesgo. afección. La definición más aceptada y tambi&n más intuitiva considera la vulnerabilidad como (la sensibilidad de las aguas subterráneas a una alteración de la composición originada por actividades de origen antrópico3, seg!n esta definición la vulnerabilidad está condicionada por características intrínsecas a la formación acuífera porosidad, permeabilidad, profundidad del nivel freático, etc., y etrínsecas, como la clirnatologia., características de las formaciones encajantes, etc. La afección será la situación de deterioro debida a la acción de sustancias o agresiones de otra índole. Sin embargo con frecuencia se confunden ambos t&rminos y se mezclan incluso con el de áreas de recarga o influencia, un ejemplo de notable trascendencia lo tenemos en la 5irectiva +uropea de #itratos e incluso en su transposición a la legislación espa)ola, en las que se definen como zonas vulnerables áreas que sin duda deberían ser definidas como de recarga o de influencia 3Nonas vulnerables son todas las superficies conocidas del territorio cuya escorrentía fluya hacia Oas aguas afectadas por la contaminación y las que podrían verse afectadas si no se toman medidas oportunas, y que contribuyan a la contaminación3. +n este trabajo se considerará la vulnerabilidad como sensibilidad, la afección como la situación de deterioro y el riesgo como la conjunción de vulnerabilidad y presencia de una actividad potencialmente contaminante.