Hidrogeología

Un acuífero es una capa de roca o sedimentos no consolidados que contiene agua y que la suministra en cantidad utilizable a un pozo o manantial. Los acuíferos pueden ser libres, donde la parte superior del acuífero está definida por el nivel freático , o confinados, donde el acuífero se encuentra debajo de una capa confinante. ^{[ 5 ]}

Existen tres aspectos que controlan la naturaleza de los acuíferos: la estratigrafía , la litología y las formaciones y depósitos geológicos. La estratigrafía describe la edad y la geometría de las diversas formaciones que componen el acuífero. La litología se refiere a los componentes físicos del acuífero, como la composición mineral y el tamaño de grano. Las características estructurales son los elementos que surgen debido a deformaciones posteriores a la sedimentación, como fracturas y pliegues. Comprender estos aspectos es fundamental para entender cómo se forma un acuífero y cómo los profesionales pueden utilizarlo en la ingeniería de aguas subterráneas. ^{[ 6 ]}

Las diferencias en la carga hidráulica ( h ) provocan que el agua se mueva de un lugar a otro; el agua fluye desde zonas de alta h hacia zonas de baja h. La carga hidráulica se compone de la carga de presión ( ψ ) y la carga de elevación ( z ). El gradiente de carga es el cambio en la carga hidráulica por unidad de longitud del recorrido del flujo, y en la ley de Darcy aparece como proporcional al caudal.

La carga hidráulica es una propiedad directamente medible que puede tomar cualquier valor (debido al datum arbitrario involucrado en el término z ); ψ se puede medir con un transductor de presión (este valor puede ser negativo, por ejemplo, succión, pero es positivo en acuíferos saturados), y z se puede medir con respecto a un datum topográfico (típicamente la parte superior del revestimiento del pozo ). Comúnmente, en pozos que extraen agua de acuíferos libres, el nivel del agua en un pozo se usa como un indicador de la carga hidráulica, suponiendo que no hay gradiente vertical de presión. A menudo solo se necesitan los cambios en la carga hidráulica a lo largo del tiempo, por lo que el término de carga de elevación constante se puede omitir ( Δh = Δψ ).

Un registro de la carga hidráulica a lo largo del tiempo en un pozo se denomina hidrograma o, los cambios en la carga hidráulica registrados durante el bombeo de un pozo en una prueba se denominan descenso del nivel freático .

La porosidad ( n ) es una propiedad del acuífero que se puede medir directamente; es una fracción entre 0 y 1 que indica la cantidad de espacio poroso entre partículas de suelo no consolidadas o dentro de una roca fracturada. Normalmente, la mayor parte del agua subterránea (y cualquier sustancia disuelta en ella) se mueve a través de la porosidad disponible para el flujo (a veces llamada porosidad efectiva ). La permeabilidad es una expresión de la interconexión de los poros. Por ejemplo, una unidad de roca no fracturada puede tener una alta porosidad (tiene muchos huecos entre sus granos constituyentes), pero una baja permeabilidad (ninguno de los poros está conectado). Un ejemplo de este fenómeno es la piedra pómez , que, cuando está en su estado no fracturado, puede formar un acuífero pobre.

La porosidad no afecta directamente la distribución de la carga hidráulica en un acuífero, pero tiene un efecto muy fuerte en la migración de contaminantes disueltos, ya que afecta las velocidades de flujo del agua subterránea a través de una relación inversamente proporcional.

La ley de Darcy se aplica comúnmente para estudiar el movimiento del agua u otros fluidos a través de medios porosos, y constituye la base de muchos análisis hidrogeológicos.

El contenido de agua ( θ ) es también una propiedad directamente medible; representa la fracción de la roca total que contiene agua líquida. Esta fracción también se encuentra entre 0 y 1, pero debe ser menor o igual que la porosidad total.

El contenido de agua es muy importante en la hidrología de la zona vadosa , donde la conductividad hidráulica es una función fuertemente no lineal del contenido de agua; esto complica la solución de la ecuación del flujo de agua subterránea no saturada.

La conductividad hidráulica ( K ) indica la facilidad con la que un fluido (generalmente agua) puede moverse a través del espacio poroso o la red de fracturas. La transmisividad es el producto de la conductividad hidráulica y el espesor del acuífero (que se utiliza normalmente como indicador de la capacidad de un acuífero para suministrar agua a un pozo).

El almacenamiento específico ( S _s ) y su equivalente integrado en profundidad, la capacidad de almacenamiento ( S=S _s b ), son propiedades indirectas del acuífero (no se pueden medir directamente); indican la cantidad de agua subterránea liberada del almacenamiento debido a una despresurización unitaria de un acuífero confinado. Son fracciones entre 0 y 1.

El rendimiento específico ( S _y ) también es una relación entre 0 y 1 ( S _y ≤ porosidad) e indica la cantidad de agua liberada debido al drenaje por la disminución del nivel freático en un acuífero libre. El valor del rendimiento específico es menor que el de la porosidad porque parte del agua permanecerá en el medio incluso después del drenaje debido a las fuerzas intermoleculares. A menudo, la porosidad o la porosidad efectiva se utilizan como límite superior del rendimiento específico. Típicamente, S _y es varios órdenes de magnitud mayor que S _s .

La hidrogeología de zonas de falla es el estudio de cómo las rocas frágilmente deformadas alteran los flujos de fluidos en diferentes entornos litológicos , como rocas clásticas , ígneas y carbonatadas . Los movimientos de fluidos, que pueden cuantificarse como permeabilidad , pueden verse facilitados o impedidos debido a la existencia de una zona de falla . ^{[ 7 ]} Esto se debe a que diferentes mecanismos y rocas deformadas pueden alterar la porosidad y, por lo tanto, la permeabilidad dentro de la zona de falla. Los fluidos involucrados generalmente son agua subterránea (agua dulce y marina) e hidrocarburos (petróleo y gas). ^{[ 8 ]} Dado que la zona de falla es una zona de debilidad que ayuda a aumentar el espesor de la zona meteorizada y, por lo tanto, ayuda a la recarga de agua subterránea. ^{[ 9 ]} Junto con las fallas , las fracturas y las foliaciones también facilitan el agua subterránea principalmente en terrenos de roca dura. ^{[ 9 ]}

A menudo nos interesa cómo el agua subterránea en movimiento transportará contaminantes disueltos (el subcampo de la hidrogeología de contaminantes). Los contaminantes que son artificiales (por ejemplo, productos derivados del petróleo , nitrato , cromo o radionúclidos ) o que ocurren naturalmente (por ejemplo, arsénico , salinidad ), pueden transportarse a través de tres mecanismos principales: advección (transporte a lo largo de la dirección principal del flujo a la velocidad de filtración), difusión (migración del contaminante de áreas de alta a baja concentración) y dispersión hidrodinámica (debido a las heterogeneidades a microescala presentes en el medio poroso y la distribución de velocidad no uniforme en relación con la velocidad de filtración). ^{[ 10 ]} Además de necesitar entender hacia dónde fluye el agua subterránea, basándonos en las otras propiedades hidrológicas discutidas anteriormente, hay propiedades adicionales del acuífero que afectan cómo se mueven los contaminantes disueltos con el agua subterránea.

Henry Darcy fue un científico francés que realizó avances en el estudio del flujo de fluidos a través de materiales porosos. Llevó a cabo experimentos que estudiaban el movimiento de fluidos a través de columnas de arena. Estos experimentos condujeron a la formulación de la ley de Darcy , que describe el flujo de fluidos a través de un medio con altos niveles de porosidad. El trabajo de Darcy se considera el inicio de la hidrogeología cuantitativa. ^{[ 12 ]}

Oscar Edward Meinzer fue un científico estadounidense a quien a menudo se le llama el "padre de la hidrología moderna de aguas subterráneas". Estandarizó términos clave en el campo y estableció principios sobre la ocurrencia, el movimiento y la descarga. Demostró que el flujo de agua obedece la ley de Darcy. También propuso el uso de métodos geofísicos y registradores en pozos, así como pruebas de bombeo para obtener información cuantitativa sobre las propiedades de los acuíferos. Meinzer también destacó la importancia de estudiar la geoquímica del agua, así como el impacto de los altos niveles de salinidad en los acuíferos. ^{[ 13 ]}

La ley de Darcy es una ecuación constitutiva , derivada empíricamente por Henry Darcy en 1856, que establece que la cantidad de agua subterránea que se descarga a través de una porción determinada de acuífero es proporcional al área de la sección transversal del flujo, el gradiente hidráulico y la conductividad hidráulica .

La ecuación de flujo de agua subterránea, en su forma más general, describe el movimiento del agua subterránea en un medio poroso (acuíferos y acuitardos). En matemáticas se la conoce como ecuación de difusión y tiene muchos análogos en otros campos. Muchas soluciones para problemas de flujo de agua subterránea se tomaron prestadas o adaptaron de soluciones existentes de transferencia de calor .

A menudo se deriva de una base física utilizando la ley de Darcy y la conservación de la masa para un pequeño volumen de control. La ecuación se usa frecuentemente para predecir el flujo hacia pozos , que tienen simetría radial, por lo que la ecuación de flujo se suele resolver en coordenadas polares o cilíndricas .

La ecuación de Theis es una de las soluciones más utilizadas y fundamentales para la ecuación del flujo de agua subterránea; se puede utilizar para predecir la evolución transitoria de la carga hidráulica debido a los efectos del bombeo de uno o varios pozos.

La ecuación de Thiem es una solución a la ecuación de flujo de agua subterránea en estado estacionario (ecuación de Laplace) para el flujo hacia un pozo. A menos que haya grandes fuentes de agua cerca (un río o un lago), rara vez se alcanza un estado estacionario real.

Ambas ecuaciones se utilizan en pruebas de acuíferos (pruebas de bombeo).

La ecuación de Hooghoudt es una ecuación de flujo de agua subterránea aplicada al drenaje subsuperficial mediante tuberías, drenajes de drenaje o zanjas. ^{[ 14 ]} Un método alternativo de drenaje subsuperficial es el drenaje mediante pozos, para los cuales también existen ecuaciones de flujo de agua subterránea. ^{[ 15 ]}

Los métodos analíticos suelen utilizar la estructura de las matemáticas para llegar a una solución simple y elegante, pero la derivación necesaria para todas las geometrías de dominio, excepto las más simples, puede ser bastante compleja (involucrando coordenadas no estándar , mapeo conforme , etc.). Las soluciones analíticas también suelen ser simplemente una ecuación que puede dar una respuesta rápida basada en unos pocos parámetros básicos. La ecuación de Theis es una solución analítica simple (pero aún así muy útil) para el flujo y nivel de agua subterránea alrededor de pozos de bombeo o inyección, que se usa típicamente para analizar los resultados de una prueba de acuífero o una prueba de inyección .

El tema de los métodos numéricos es bastante extenso y, obviamente, resulta útil para la mayoría de los campos de la ingeniería y la ciencia en general. Los métodos numéricos existen desde mucho antes que las computadoras (en la década de 1920, Richardson desarrolló algunos de los esquemas de diferencias finitas que aún se utilizan hoy en día, pero se calculaban a mano, con papel y lápiz, por "calculadores" humanos). Sin embargo, se han vuelto muy importantes gracias a la disponibilidad de computadoras personales rápidas y económicas . A continuación se presenta un breve resumen de los principales métodos numéricos utilizados en hidrogeología y algunos de sus principios más básicos, que se analizan con mayor detalle en el artículo sobre el modelo de aguas subterráneas .

Existen dos grandes categorías de métodos numéricos: métodos discretizados o en malla y métodos sin malla. En el método común de diferencias finitas y el método de elementos finitos (MEF), el dominio se discretiza completamente (se divide en una malla de elementos pequeños). El método de elementos analíticos (MEA) y el método de ecuaciones integrales de contorno (MEIC, también llamado MEC o método de elementos de contorno) solo se discretizan en los límites o a lo largo de los elementos de flujo (sumideros lineales, fuentes de área, etc.), y la mayor parte del dominio no requiere malla.

Uno de los aspectos más importantes de la ingeniería de aguas subterráneas y la hidrogeología es el diseño y la construcción de pozos de agua. Un diseño y una construcción adecuados son fundamentales para mantener la salud del agua subterránea y de las personas que utilizarán el pozo. Los factores que deben considerarse en el diseño de un pozo son:

• Un acuífero fiable que proporciona un suministro continuo de agua.
• La calidad del agua subterránea accesible
• Cómo monitorear el pozo
• Costos operativos del pozo
• Rendimiento esperado del pozo
• Cualquier perforación previa en el acuífero ^{[ 23 ]}

Hay cinco áreas principales a considerar al planificar y construir un nuevo pozo de agua, además de los factores mencionados anteriormente. Estas son:

• Idoneidad del acuífero
• "Consideraciones sobre el diseño de pozos"
• Métodos de perforación de pozos
• Diseño y desarrollo de filtros para pozos
• Pruebas de pozos" ^{[ 24 ]}

La idoneidad de un acuífero comienza con la determinación de posibles ubicaciones para el pozo utilizando informes del USGS , registros de pozos y secciones transversales del acuífero. Esta información debe utilizarse para determinar propiedades del acuífero como profundidad, espesor, transmisividad y rendimiento del pozo. En esta etapa, también debe determinarse la calidad del agua del acuífero y realizarse un análisis para detectar contaminantes. ^{[ 24 ]}

Una vez determinados factores como la profundidad y el rendimiento del pozo, se debe establecer el diseño y el método de perforación. El método de perforación se selecciona en función de las condiciones del suelo, la profundidad del pozo, el diseño y los costos. ^{[ 24 ]} En esta etapa, se elaboran estimaciones de costos y se ajustan los planes para satisfacer las necesidades presupuestarias.

Las partes importantes de un pozo incluyen los sellos, las tuberías de revestimiento, las zapatas de accionamiento, los conjuntos de filtros y un relleno de arena o grava (opcional). Cada uno de estos componentes garantiza que el pozo extraiga agua de un solo acuífero y que no se produzcan fugas en ninguna etapa del proceso. ^{[ 24 ]}

Existen varios métodos de perforación que se pueden utilizar para la construcción de un pozo de agua. Estos incluyen: técnicas de perforación con herramienta de cable, rotativa neumática, rotativa de lodo y rotativa dual de circulación inversa inundada. ^{[ 24 ]} La perforación con herramienta de cable es económica y se puede utilizar para todo tipo de pozos, pero la alineación debe verificarse constantemente y tiene una velocidad de avance lenta. No es una técnica de perforación eficaz para formaciones consolidadas, pero sí proporciona una huella de perforación pequeña. La perforación rotativa neumática es rentable y funciona bien para formaciones consolidadas. Tiene una velocidad de avance rápida, pero no es adecuada para pozos de gran diámetro. La perforación rotativa de lodo es especialmente rentable para pozos profundos. Mantiene una buena alineación, pero requiere una huella mayor. Tiene una velocidad de avance muy rápida. La perforación rotativa dual de circulación inversa inundada es más costosa, pero es buena para diseños de pozos grandes. Es versátil y mantiene la alineación. Tiene una velocidad de avance rápida. ^{[ 24 ]}

Las rejillas de los pozos aseguran que solo el agua llegue a la superficie, mientras que los sedimentos permanecen bajo tierra. Estas rejillas se colocan a lo largo del conducto del pozo para filtrar los sedimentos a medida que se bombea el agua hacia la superficie. El diseño de las rejillas puede verse afectado por la naturaleza del suelo, y se pueden utilizar diseños de relleno natural para maximizar la eficiencia. ^{[ 24 ]}

Tras la construcción del pozo, se deben realizar pruebas para evaluar su productividad, eficiencia y rendimiento, así como determinar sus impactos en el acuífero. Se deben realizar diversas pruebas en el pozo para evaluar todas sus características relevantes. ^{[ 24 ]}

La contaminación de las aguas subterráneas se produce cuando otros fluidos se filtran en el acuífero y se mezclan con el agua subterránea existente. Los pesticidas, los fertilizantes y la gasolina son contaminantes comunes de los acuíferos. Los tanques de almacenamiento subterráneo de productos químicos, como la gasolina, son fuentes especialmente preocupantes de contaminación de las aguas subterráneas. A medida que estos tanques se corroen, pueden tener fugas y su contenido puede contaminar las aguas subterráneas cercanas. En edificios que no están conectados a un sistema de tratamiento de aguas residuales , se pueden usar tanques sépticos para eliminar los desechos de forma segura. Si los tanques sépticos no se construyen o mantienen adecuadamente, pueden filtrar bacterias, virus y otros productos químicos a las aguas subterráneas circundantes. Los vertederos son otra fuente potencial de contaminación de las aguas subterráneas. Al enterrar la basura, los productos químicos dañinos pueden migrar desde la basura hacia las aguas subterráneas circundantes si la capa base protectora está agrietada o dañada. Otros productos químicos, como las sales de carretera y los productos químicos utilizados en jardines y granjas, pueden escurrirse hacia los embalses locales y, finalmente, hacia los acuíferos. A medida que el agua pasa por el ciclo del agua, los contaminantes de la atmósfera pueden contaminarla. Esta agua también puede llegar a las aguas subterráneas. ^{[ 25 ]}

Han surgido nuevos avances en la cartografía topográfica para mejorar la sostenibilidad. La cartografía topográfica se ha actualizado para incluir el radar, que puede penetrar el suelo para ayudar a identificar áreas problemáticas. Además, en los últimos años, se pueden realizar cálculos complejos utilizando datos recopilados de mapas para ampliar el conocimiento de los acuíferos subterráneos. Esto ha posibilitado la creación de modelos del ciclo del agua altamente complejos e individualizados, lo que ha contribuido a que la sostenibilidad del agua subterránea sea más aplicable a situaciones específicas. ^{[ 31 ]}

Las mejoras tecnológicas han impulsado la cartografía topográfica y también han mejorado la calidad de las simulaciones de la litosfera, la hidrosfera, la biosfera y la atmósfera. Estas simulaciones son útiles por sí solas; sin embargo, cuando se utilizan en conjunto, ayudan a obtener una predicción aún más precisa de la sostenibilidad futura de un área y de los cambios que se pueden realizar para garantizar su estabilidad. Esto no sería posible sin el avance de la tecnología. A medida que la tecnología continúa progresando, las simulaciones aumentarán en precisión y permitirán realizar estudios y proyectos más complejos en ingeniería de aguas subterráneas. ^{[ 31 ]}

A medida que la población sigue creciendo, las zonas que utilizaban el agua subterránea de forma sostenible comienzan a enfrentar problemas de sostenibilidad a futuro. No se tuvieron en cuenta poblaciones del tamaño actual de las grandes ciudades al considerar la sostenibilidad a largo plazo de los acuíferos. Estas grandes poblaciones están empezando a ejercer presión sobre el suministro de agua subterránea. Esto ha generado la necesidad de nuevas políticas en algunas zonas urbanas. Estas políticas se conocen como gestión proactiva del uso del suelo, mediante las cuales las ciudades pueden tomar medidas proactivas para conservar el agua subterránea.

En Brasil, la sobrepoblación provocó la escasez de agua potable municipal. Debido a esta escasez, la gente comenzó a perforar pozos dentro del área normalmente abastecida por el sistema municipal. Esta fue una solución para las personas de alto nivel socioeconómico, pero dejó a gran parte de la población desfavorecida sin acceso al agua. Por ello, se creó una nueva política municipal que perforaba pozos para ayudar a quienes no podían costearlos. Dado que la ciudad es responsable de la perforación de los nuevos pozos, puede planificar mejor la sostenibilidad futura del agua subterránea en la región, ubicando cuidadosamente los pozos y teniendo en cuenta el crecimiento demográfico. ^{[ 32 ]}

En Estados Unidos , el 51% del agua potable proviene de acuíferos. Alrededor del 99% de la población rural depende de los acuíferos. Además, el 64% del total de los acuíferos del país se utiliza para riego, y una parte se emplea en procesos industriales y para la recarga de lagos y ríos. En 2010, el 22% del agua dulce utilizada en EE. UU. provenía de acuíferos y el 78% restante de aguas superficiales. Los acuíferos son importantes para algunos estados que no tienen acceso a agua dulce. La mayor parte del agua dulce subterránea (65%) se utiliza para riego y el 21% restante para consumo público. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

• Fitts, C. R (2010). "Modelado de sistemas acuíferos con elementos analíticos y subdominios". Water Resources Research . 46 (7) 2009WR008331. Bibcode : 2010WRR....46.7521F . doi : 10.1029/2009WR008331 . S2CID 130977774 .