Si se excava o perfora la tierra para conectar con un acuífero, a través de pozos y/o galerías filtrantes se puede explotar esta masa de agua para consumo humano, agrícola o industrial. La capa freática es el acuífero subterráneo que se encuentra a poca profundidad relativa y que tradicionalmente abastece los pozos de agua potable. Es, obviamente la capa más expuesta a la contaminación procedente de la superficie.
En lugares alejados de ríos, lagos o mares, estos acuíferos son a menudo la única fuente de agua disponible, especialmente en extensas áreas como los desiertos de Atacama, Kalahari y Sahara. A veces esta agua sale a la superficie por sí sola a través de encharcamientos, manantiales (oasis, en los desiertos), surgencias manantiales, rezumes, aguas termales, o géiseres. La zona del subsuelo en la que los huecos están llenos de agua se llama zona saturada. El nivel superior de la zona freática a presión atmosférica, se conoce como nivel freático. El nivel freático puede encontrarse a muy diferentes profundidades, dependiendo de las circunstancias geológicas y climáticas, desde sólo unos centímetros hasta decenas de metros por debajo de la superficie. En la mayoría de los casos la profundidad varía con las circunstancias meteorológicas de las que depende la recarga de los acuíferos. El nivel freático no es horizontal, a diferencia del nivel superior de los mares o lagos, sino que es irregular, con pendiente monótonamente decreciente desde el nivel fijo superior al nivel fijo inferior. Por encima de la zona saturada, desde el nivel freático hasta la superficie, se encuentra la zona no saturada o zona vadosa, en la que la circulación es principalmente vertical, representada por la percolación, que es la circulación movida por la gravedad, del agua de infiltración.
Cuando el nivel freático no se encuentra a la presión atmosférica, sino que la supera, se dice que el acuífero no es libre, sino cautivo o confinado; en este caso, cuando realizamos un pozo o sondeo, el agua tiende a ascender traspasando el techo (semiimpermeable o impermeable) del acuífero. En estas únicas condiciones, el nivel freático pasa a denominarse entonces nivel piezométrico; el cual podría llegar hasta la superficie del terreno o incluso superarla, provocando excepcionalmente lo que se conoce como surgencia o pozo artesianos. Pero por lo general, la mayoría de los pozos de acuíferos cautivos no son artesianos, sino que el agua asciende por el pozo, sin llegar a la superficie; pero que es ésta la explicación física a este fenómeno. Muy raras veces, los niveles piezométricos pueden incluso descender dentro del pozo, fenómeno que se explica, por la existencia de dos acuíferos: un acuífero superior (confinado o no) pero a mayor presión, que recarga el existente inferior, proceso singular que habríamos provocado nosotros mismos, a través de la conexión hidráulica por el pozo.
De este modo, la principal diferencia entre un nivel freático y otro piezométrico, es que, mientras el primero es "real" y prácticamente invariable (en función, principalmente, de la pequeña variación barométrica del lugar), el piezométrico es "virtual" y es función de la profundidad que alcancemos con la perforación o excavación de un pozo o sondeo; ascendiendo, en un sector de descarga (flujos subterráneos ascendentes); o descendiendo, en un sector de recarga (flujos subterráneos descendentes). También el nivel piezométrico puede ser independiente de la profundidad, en ciertas áreas denominadas "de tránsito" (flujos subterráneos horizontales).
Estructura
Un acuífero es un terreno rocoso permeable dispuesto bajo la superficie, en donde se acumula y por donde circula el agua subterránea. En un acuífero "libre" se distinguen:
Una zona de saturación, que es la situada encima de la capa impermeable, donde el agua rellena completamente los poros de las rocas. El limite superior de esta zona,que lo separa de la zona vadosa o de aireación, es el nivel freático y varía según las circunstancias: descendiendo en épocas secas, cuando el acuífero no se recarga o lo hace a un ritmo más lento que su descarga; y ascendiendo, en épocas húmedas.
Una zona de aireación o vadosa, es el espacio comprendido entre el nivel freático y la superficie, donde no todos los poros están llenos de agua.
Cuando la roca permeable donde se acumula el agua se localiza entre dos capas impermeables, que puede tener forma de U o no, vimos que era un acuífero cautivo o confinado. En este caso, el agua se encuentra sometida a una presión mayor que la atmosférica, y si se perfora la capa superior, fluye como un surtidor, tipo pozo artesiano.
Por lo que, perforando el terreno hasta la zona de saturación es como se obtiene un pozo ordinario, mientras que, como vimos, la formación de un manantial surgente o pozo artesiano se produce en un acuífero cautivo, cuando el nivel piezométrico "virtual" aflora en la superficie y las aguas surgen al exterior.
Tipos de acuíferos
Tipos de acuíferos
Desde el punto de vista de su conformación se pueden distinguir los acuíferos libres, y los acuíferos confinados.
En la figura al lado se ilustran los dos tipos de acuíferos:
río o lago (a), en este caso es la fuente de recarga de ambos acuíferos.
suelo poroso no saturado (b).
suelo poroso saturado (c), en el cual existe una camada de terreno impermeable (d), formado, por ejemplo por arcilla, este estrato impermeable confina el acuífero a cotas inferiores.
suelo impermeable (d).
acuífero no confinado (e).
manantial (f);
pozo que capta agua del acuífero no confinado (g).
pozo que alcanza el acuífero confinado, frecuentemente el agua brota como en un surtidor o fuente, llamado pozo artesiano (h).
Recarga
El agua del suelo se renueva en general por procesos activos de recarga desde la superficie. La renovación se produce lentamente cuando la comparamos con la de los depósitos superficiales, como los lagos, y los cursos de agua. El tiempo de residencia (el periodo necesario para renovar por completo un depósito a su tasa de renovación normal) es muy largo. En algunos casos la renovación está interrumpida, por la impermeabilidad de las formaciones geológicas superiores (acuitardos), o por circunstancias climáticas sobrevenidas de aridez.
En ciertos casos se habla de acuíferos fósiles, estos son bolsones de agua subterránea, formados en épocas geológicas pasadas, y que, a causa de variaciones climáticas ya no tienen actualmente recarga.
El agua de las precipitaciones (lluvia, nieve,…) puede tener distintos destinos una vez alcanza el suelo. Se reparte en tres fracciones. Se llama escorrentía a la parte que se desliza por la superficie del terreno, primero como arroyada difusa y luego como agua encauzada, formando arroyos y ríos. Otra parte del agua se evapora desde las capas superficiales del suelo o pasa a la atmósfera con la transpiración de los organismos, especialmente las plantas; nos referimos a esta parte como evapotranspiración. Por último, otra parte se infiltra en el terreno y pasa a ser agua subterránea.
La proporción de infiltración respecto al total de las precipitaciones depende de varios factores. La litología (la naturaleza del material geológico que aflora e la superficie) influye a través de su permeabilidad, la cual depende de la porosidad, del diaclasamiento (agrietamiento) y de la mineralogía del sustrato. Por ejemplo, los minerales arcillosos se hidratan fácilmente, hinchándose siempre en algún grado, lo que da lugar a una reducción de la porosidad que termina por hacer al sustrato impermeable.
Otro factor desfavorable para la infiltración es una pendiente marcada. La presencia de vegetación densa influye de forma compleja, porque reduce el agua que llega al suelo (interceptación), pero extiende en el tiempo el efecto de las precipitaciones, desprendiendo poco a poco el agua que moja el follaje, reduciendo así la fracción de escorrentía y aumentando la de infiltración. Otro efecto favorable de la vegetación tiene que ver con las raíces, especialmente las raíces densas y superficiales de muchas plantas herbáceas, y con la formación de suelo, generalmente más permeable que la mayoría de las rocas frescas.
La velocidad a la que el agua se mueve depende del volumen de los intersticios (porosidad) y del grado de intercomunicación entre ellos. Los dos principales parámetros de que depende la permeabilidad. Los acuíferos suelen ser materiales sedimentarios de grano relativamente grueso (gravas, arenas, limos,…). Si los poros son suficientemente amplios, una parte del agua circula libremente a través de ellos impulsada por la gravedad, pero otra queda fijada por las fuerzas de la capilaridad y otras motivadas por interacciones entre ella y las moléculas minerales.
En algunas situaciones especiales se ha logrado la recarga artificial de los acuíferos, pero este no es un procedimiento generalizado, y no siempre es posible. Antes de poder plantearse la conveniencia de proponer la recarga artificial de un acuífero es necesario tener un conocimiento muy profundo y detallado de la hidrogeología de la región donde se encuentra el acuífero en cuestión por un lado y por otro disponer del volumen de agua necesario para tal operación.
Descarga
El agua subterránea mana (brota) de forma natural en distintas clases de surgencias en las laderas (manantiales) y a veces en fondos del relieve, siempre allí donde el nivel freático intercepta la superficie. Cuando no hay surgencias naturales, al agua subterránea se puede acceder a través de pozos, perforaciones que llegan hasta el acuífero y se llenan parcialmente con el agua subterránea, siempre por debajo del nivel freático, en el que provoca además una depresión local. El agua se puede extraer por medio de bombas.
Otras veces, se puede hablar de una descarga debida a un flujo hipodérmico o "interflujo", que es aquel que circula de modo somero y rápido por ciertas formaciones permeables de escasa profundidad, por lo general, ligada a álveos fluviales (acuíferos subálveos); que proceden de una rápida infiltración, alta velocidad de transmisión, y escaso recorrido, que hacen que pronto vuelvan al exterior, representando ser formaciones de escaso o nulo almacenamiento.
Sobreexplotación
Los pozos se pueden secar si el nivel freático cae por debajo de su profundidad inicial, lo que ocurre ocasionalmente en años de sequía, y por las mismas razones pueden dejar de manejar las fuentes. El régimen de recarga puede alterarse por otras causas, como la repoblación forestal, que favorece la infiltración frente a la escorrentía, pero aún más favorece la evapotranspiración, o por la extensión de pavimentos impermeables, como ocurre en zonas urbanas e industriales.
La principal razón para el descenso del nivel freático es sin embargo la sobreexplotación. En algunas partes del mundo la extensión de la irrigación y de otras actividades que consumen agua se ha hecho a costa de acuíferos cuya recarga es lenta o casi nula. El resultado ha sido diverso pero siempre negativo. En algunos casos la sobreexplotación ha favorecido la intrusión de agua salina por la proximidad de la costa, provocando la salinización del agua e indirectamente la de los suelos agrícolas.
Contaminación del agua subterránea
El agua subterránea tiende a ser dulce (es decir, de muy baja salinidad) y potable (puede ser bebida sin riesgo). Sin embargo en ocasiones las capas freáticas son demasiado ricas en sales disueltas como para ser consumida, y eso mismo puede resultar inconveniente también para otros usos determinados. La circulación subterránea tienden a depurar el agua de partículas y microorganismos, pero en ocasiones estos llegan al acuífero por contaminación debida a los usos humanos, como fosas sépticas o residuos agrícolas. El agua subterránea puede contaminarse por otras causas antropogénicas (debidas a los seres humanos), como la infiltración de nitratos y otros abonos químicos muy solubles usados en la agricultura, que suele ser una causa grave de contaminación de los suministros en llanuras de elevada productividad agrícola y densa población.
Algunos contaminantes se originan de la erosión natural de las formaciones rocosas. Otros contaminantes provienen de descargas de fábricas, productos agrícolas, o químicos utilizados por las personas en sus hogares y patios. Los contaminantes también pueden provenir de tanques de almacenamiento de agua, pozos sépticos, lugares con desperdicios peligrosos y vertederos. Actualmente, los contaminantes del agua subterránea que más preocupan son los compuestos orgánicos industriales, como disolventes, pesticidas, pinturas, barnices, o los combustibles, como la gasolina.
Otro capítulo lo forman los abonos químicos minerales, especialmente los nitratos, que son el contaminante inorgánico más conocido y quizás uno de los que genera mayor preocupación. El nitrato se origina de diferentes fuentes: aplicación de fertilizantes, pozos sépticos que no estén funcionando bien, lagunas de retención de desperdicios sólidos no impermeabilizadas por debajo y la infiltración de aguas residuales o tratadas. El envenenamiento con nitrato es peligroso en los niños. Altos niveles de nitrato en el cuerpo pueden limitar la capacidad de la sangre para transportar oxígeno, causando asfixia en bebés. En el tubo digestivo el nitrato se reduce produciendo nitritos, que son cancerígenos.
En el bajo valle del Ganges se da un caso particularmente serio de contaminación por arsénico, que está causando la intoxicación crónica, para combatir la cual no se encuentran medios, de decenas de millones de personas. La causa es la combinación de un factor antropogénico, la contaminación orgánica ligada a la intensificación del regadío, y una natural, una cepa bacteriana del suelo que, bajo las nuevas condiciones, libera el arsénico soluble y tóxico que antes permanecía retenido en la roca. Éste es sin duda el problema más agudo de contaminación detectado hasta la fecha.
El agua subterránea en áreas costeras puede contaminarse por intrusiones de agua de mar cuando la tasa de extracción es muy alta, causando que el agua del mar penetre en los acuíferos de agua dulce. Este problema se puede aplazar diseñando apropiadamente la ubicación de los pozos y excavando otros pozos que ayuden a mantener el agua salada lejos del acuífero de agua dulce, pero es inevitable a la larga mientras la extracción supere a la recarga por agua dulce.
La contaminación del agua subterránea es especialmente grave por su persistencia. Es una consecuencia de su pequeña tasa de renovación y largo tiempo de residencia. Además el agua no tiene la accesibilidad necesaria para usar procesos artificiales de depuración como los que se puede aplicar en caso de necesidad a los depósitos superficiales.
Pozo artesiano
Pozo artesiano
Un pozo artesiano es aquel tipo de pozo que comunica con un acuífero cautivo de agua (o petróleo), de forma que como el nivel freático del líquido está por encima de la superficie del pozo, este mana elevándose por encima del terreno hasta alcanzar un nivel casi equivalente al del punto de alimentación de la capa cautiva, quedando minorado debido a la pérdida de carga.
La Ley de Pascal predice la presión hidrostática:
Donde ? es la densidad del fluido, g la aceleración de la gravedad, y z es la altura.
Estos pozos se practicaron profusamente durante la Edad Media en la región francesa de Arras (Artois) de donde toman su nombre aunque, en realidad, venían practicándose desde mucho antes en Siria y el Antiguo Egipto. En el desierto del Sahara alimentan algunos oasis.
Enviado por:
Jorge Armando Álamo Torres
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