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Conceptos Fundamentales de Hidrogeología

Clasificación de las formaciones geológicas según su comportamiento hidrogeológico

Acuífero (del latín fero, llevar).- Formación geológica que contiene agua en cantidad apreciable y que permite que circule a través de ella con facilidad.
Ejemplos: Arenas, gravas. También granito u otra roca compacta con una fracturación importante.
Acuicludo (del latín cludo, encerrar).- Formación geológica que contiene agua en cantidad apreciable y que no permite que el agua circule a través de ella .
Ejemplo: Limos, arcillas. Un m3 de arcillas contiene mas agua que el mismo volumen de arenas, pero el agua esta atrapada, no puede salir por gravedad, y por tanto no podrá circular en el subsuelo ni en condiciones naturales ni hacia un pozo que esté bombeando.
Acuitardo (del latín tardo, retardar, impedir).- Formación geológica que contiene agua en cantidad apreciable pero que el agua circula a través de ella con dificultad.
Evidentemente se trata de un concepto intermedio entre los dos anteriores.
Ejemplos: Arenas arcillosas, areniscas, rocas compactas con alteración y/o fracturación moderadas.
Acuífugo (del latín fugo, rechazar, ahuyentar).- Formación geológica que no contiene agua porque no permite que circule a través de ella.
Ejemplo: granito o esquisto inalterados y no fracturados
De estas cuatro denominaciones, es la menos utilizada.

No se trata de definiciones en sentido estricto, ya que no tienen unos límites precisos que permitan delimitar si una formación concreta entra o no en la definición, pero son términos utilizados constantemente en la bibliografía hidrogeológica (el primero de ellos usado en el lenguaje común)

En una región sin mejores recursos, una formación que proporcionara 0,5 litros/seg. se denominaría “acuífero”, y su explotación sería interesante. En cambio, en una zona con buenos acuíferos, esa formación se denominaría “mal acuífero” o “acuífero pobre” o “acuitardo”, y probablemente una perforación con ese caudal se cerraría.

Porosidad: tipos

Porosidad total:
mt = Volumen de huecos/ volumen total

Puede expresarse en % ó en tanto por 1 (en cualquier caso es adimensional). Es decir que 12% es equivalente a 0,12, pero dejando claro cómo se está expresando, porque también puede existir una porosidad del 0,12%

Porosidad eficaz:
me = Volumen de agua drenada por gravedad/volumen total

Se expresa igual que la porosidad total.

Retención específica: Diferencia entre los dos parámetros anteriores.
Ejemplo:
Disponemos de 1 m3 de arena seca, le introducimos agua hasta que esté completamente saturado (todos los poros llenos de agua). Supongamos que hemos necesitado 280 litros.
Después dejamos que el agua contenida escurra libremente; supongamos que recogiéramos 160 litros. Evidentemente los 120 litros que faltan se han quedado mojando los granos.

Con estos datos podemos calcular:


En inglés (americano) coexisten dos conceptos similares que no tienen equivalente en español: Specific yield (rendimiento específico) y effective porosity (porosidad efectiva)

�� Specific yield (rendimiento específico) equivale al concepto que hemos definido aquí como porosidad eficaz . Nos informa del volumen de agua que podemos obtener de un medio poroso saturado.

�� Effective porosity (porosidad efectiva) es la sección disponible para la circulación del agua.

Aproximadamente son equivalentes: el agua que queda adherida a los granos y que no se mueve por gravedad tampoco permite el flujo. En la figura adjunta representamos en oscuro el agua adherida a los granos; los huecos que quedan (en el dibujo en blanco) representan tanto el agua extraíble como la sección utilizable por el flujo del agua subterránea.

En un laboratorio se puede medir el specific yield, pero no existe un método experimental para obtener el valor de la effective porosity (la sección utilizada por el flujo); por tanto, se asigna el mismo valor numérico a ambos.

No obstante, en ocasiones se distinguen: por ejemplo en el modelo de flujo MODFLOW, solicita valores de specific yield y de effective porosity.

En español no se utilizan dos términos distintos, en el uso cotidiano para ambos se dice “porosidad eficaz”.

En francés Margat (2000) propone utilizar porosité efficace o effectif para el volumen extraíble, y porosité de drainage para la sección disponible al flujo (Esto parece confuso: la palabra “drenaje” evoca el otro concepto, el agua proporcionada por un volumen de acuífero)

Porosidad intergranular y porosidad por fracturación

Al hablar de porosidad, intuitivamente se piensa en los poros de un material detrítico, pero las rocas compactas también pueden contener cierta proporción de agua en su interior en sus fracturas (diaclasas, fallas). Estos planos de fracturas a veces son ocluídos por los minerales arcillosos resultantes de la alteración, y en otras ocasiones, al contrario, la disolución hace aumentar la fractura enormemente (especialmente en calizas).

Lo único parecido a los míticos “ríos subterráneos” de que hablan los zahoríes existe en acuíferos calizos, donde en ocasiones la disolución aumenta enormemente las fisuras por las que circula el agua.


El dibujo de la izquierda podría estar a tamaño natural o medir unos pocos mm. En cambio, el de la derecha, puede ser a esa escala o estar representando una realidad de varios km.
En ocasiones se produce una combinación de ambos tipos, como en el caso de una arenisca, con granos detríticos y fracturada.

Factores 

En el caso de la porosidad intergranular, la porosidad total no depende del tamaño de grano (piénsese que el % de huecos en el dibujo anterior sería el mismo si lo reprodujéramos ampliado o reducido). En cambio la porosidad eficaz sí se ve muy afectada por el tamaño de grano: si es más fino, la retención específica aumenta.

Tanto la total como la eficaz dependen de:

> La heterometría: los finos ocupan los poros que dejan los gruesos y la porosidad disminuye.
> La forma y disposición de los granos.
> La compactación, cementación y recristalización, que van a ir disminuyendo la porosidad

La porosidad por fracturación está determinada por la historia tectónica de la zona y por la litología; es decir: cómo cada tipo de roca ha respondido a los esfuerzos. Como se indicaba más arriba, en este tipo de porosidad es determinante la posible la eventual disolución de la fractura o, en sentido contrario, la colmatación por minerales arcillosos o precipitación de otros minerales.

Permeabilidad y transmisividad

Permeabilidad es un concepto común y no haría falta definirlo: la facilidad que un cuerpo ofrece a ser atravesado por un fluido, en este caso el agua.

En Hidrogeología, la permeabilidad (o mejor: conductividad hidráulica, K) es un concepto más preciso. Es la constante de proporcionalidad lineal entre el caudal y el gradiente hidráulico:

Caudal por unidad de sección = K . gradiente hidráulico


Veremos esto en detalle más adelante. Baste aquí comprender que el gradiente es como la pendiente que obliga a una bola rodar por un plano inclinado. Aquí obliga al agua a circular a través del medio poroso, y, lógicamente, a mayor gradiente, circulará mayor caudal.

La ecuación anterior es la Ley de Darcy, y la citamos aquí sólo para definir el concepto de permeabilidad y obtener sus unidades: despejando en la fórmula anterior se comprueba que las unidades de K son las de una velocidad (L/T). En el Sistema Internacional serían m/seg., pero para manejar números más cómodos, por tradición se continúa utilizando metros/día. En Geotecnia y otras ramas de ingeniería se utiliza el cm/ seg.

Transmisividad

Si observamos el dibujo intuimos que los dos estratos acuíferos deben proporcionar el mismo caudal: uno tiene la mitad de permeabilidad, pero el doble de espesor que el otro.


Por tanto el parámetro que nos indique la facilidad del agua para circular horizontalmente por una formación geológica será una combinación de la permeabilidad y del espesor:

Transmisividad = Permeabilidad x Espesor

Como las unidades de la permeabilidad son L/T y las del espesor L, las unidades de la Transmisividad serán L^2/T. Por ejemplo: m^2/día, o cm^2/seg.

Tipos de acuíferos: libres y confinados

En los acuíferos libres el agua se encuentra rellenando los poros o fisuras por gravedad, igual que el agua de una piscina llena el recipiente que la contiene. La superficie hasta donde llega el agua se denomina superficie freática; cuando esta superficie es cortada por un pozo se habla del nivel freático en ese punto.

En los acuíferos libres se habla de espesor saturado, que será menor o igual que el espesor del estrato o formación geológica correspondiente. (Figura página siguiente)

En los acuíferos
confinados el agua se
encuentra a presión, de
modo que si extraemos
agua de él, ningún poro
se vacía, sólo disminuye
la presión del agua y en
menor medida la de la
matriz sólida.

Al disminuir la presión
del agua, que colaboraba
con la matriz sólida en la
sustentación de todos los
materiales
suprayacentes, pueden
llegar a producirse
asentamientos y
subsidencia del terreno.

La superficie virtual
formada por los puntos
que alcanzaría el agua si
se hicieran infinitas
perforaciones en el
acuífero, se denomina
superficie
piezométrica, y en un
punto concreto, en un
pozo, se habla de nivel
piezométrico (en griego:
piezo = presión)

Si se perfora un sondeo y la perforación alcanza la superficie freática de un acuífero libre, el nivel del agua en la perforación permanece en el mismo nivel en que se cortó. Es tan simple como cuando en la playa abrimos un hoyo con las manos, y en el fondo aparece agua , ya que la arena de la playa está saturada hasta el plano del nivel del mar.

En cambio, cuando una perforación alcanza el techo de un acuífero confinado, el nivel del agua dentro de la perforación puede subir varios metros.

Cuando la superficie piezométrica está por encima de la superficie topográfica, se producen los sondeos surgentes. "Artesianos" es una denominación antigua, se refiere a la región de Artois, Francia, donde el siglo XIX se obtuvieron caudales surgentes espectaculares; entonces no existían bombas capaces de extraer agua de niveles profundos, de modo que la surgencia era el único modo de aprovechar el agua subterránea que estuviera más profunda que unos pocos metros.

La surgencia no es un indicador de la productividad de la captación: un sondeo surgente al ser bombeado puede proporcionar un caudal mínimo que lo haga inexplotable. La surgencia refleja la altura de la presión del agua (veremos después que no es exactamente la presión, sino el "potencial hidráulico"), mientras que el caudal que puede proporcionar el sondeo depende de la Transmisividad y del Coeficiente de Almacenamiento (que veremos en el siguiente apartado).

Mas frecuentes que los acuíferos confinados perfectos son los acuíferos semiconfinados. Son acuíferos a presión (por tanto entrarían en la definición anterior de acuíferos confinados), pero que alguna de las capas confinantes son semipermeables, acuitardos, y a través de ellas le llegan filtraciones o rezumes (en inglés: leaky aquifers)

Vemos en la figura adjunta un acuífero libre y un semiconfinado separados por un acuitardo. Se aprecia que el nivel del agua en el libre es mas alto que en el sondeo que corta el acuífero profundo (la

entubación de este sondeo solo estaría ranurada en el acuífero inferior). Por tanto, aunque la permeabilidad del acuitardo sea muy baja, se producirá un flujo de agua a través del mismo hacia abajo.

Si el sistema se mantuviera
estable, sin alteraciones desde
el exterior durante el tiempo
suficiente, el flujo a través del
acuitardo equilibraría los niveles, la superficie freática y piezométrica se superpondrían y cesaría el flujo (no habría gradiente hidráulico que obligara al agua a circular). Pero una situación como la del dibujo puede mantenerse indefinidamente debido a la explotación del acuífero inferior o a la llegada de agua al superior por infiltración de las precipitaciones.

No siempre la alimentación debe llegarle desde arriba: si bajo el semiconfinado hubiera otro acuitardo, y más abajo un acuífero con una presión mayor, se produciría una filtración vertical ascendente.

Coeficiente de almacenamiento

Hemos visto que el volumen de agua que proporciona un acuífero libre se puede calcular mediante la porosidad eficaz. Pero este parámetro no nos sirve en el caso de los acuíferos confinados: cuando proporcionan agua, todos sus poros continúan saturados, sólo disminuye la presión, de modo que el dato de la porosidad eficaz no indica nada. Necesitamos un parámetro que indique el agua liberada al disminuir la presión en el acuífero.

Coeficiente de
almacenamiento (S)
es el volumen de
agua liberado por
una columna de
base unidad y de
altura todo el
espesor del acuífero
cuando el nivel
piezométrico
desciende una
unidad.

En la figura (a) se
representa el
concepto: en una
columna de 1 m2 de
acuífero, la superficie piezométrica ha descendido 1 metro al extraer un volumen S.

Es evidente que el concepto de porosidad eficaz encaja perfectamente en la definición de coeficiente de almacenamiento (figura b): si consideramos 1 m2 de acuífero libre y hacemos descender 1 metro su superficie freática el volumen de agua que habremos extraído será la porosidad eficaz (me).

A pesar de ser conceptos equivalentes, reparemos en que el acuífero libre nos proporciona el volumen me por vaciado del m3 superior (el volumen que aparece en el dibujo entre las dos posiciones de al superficie freática), mientras que en el acuífero cautivo, cuando el nivel desciende 1 m, es toda la columna de acuífero que aporta el volumen de agua S.

El coeficiente de almacenamiento es, como la porosidad eficaz, adimensional (volumen / volumen), y los valores que presenta son mucho más bajos en los confinados perfectos que en los semiconfinados. Los valores típicos serían éstos:


La personalidad hidrogeológica de cualquier roca o formación geológica está definida por dos factores:



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