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Conceptos Fundamentales de Hidrogeología
Clasificación de las formaciones geológicas según su
comportamiento hidrogeológico
Acuífero [ aquifer ]
1 (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 [ aquiclude ] (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 m
3 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 [ aquitard ] (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 [ aquifuge ] (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 se incluye 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 de la que una captación pudiera extraer 0,
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.
Unidad hidrogeológica (en inglés, a veces “sistema hidrogeológico”) es un conjunto de
formaciones geológicas cuyo funcionamiento hidrogeológico conviene considerar
conjuntamente. Dentro de la unidad podrá haber uno o varios acuíferos y quizá acuitardos
o acuicludos entre ellos. Se consideran una unidad porque están conectados de modo que
su funcionamiento (entradas, salidas, balance) hay que estudiarlo de un modo conjunto.
Esta agrupación de formaciones es relativamente subjetiva, depende de la escala y de los
objetivos del trabajo. Una unidad puede subdividirse en unidades menores.
(^1) A lo largo de todo el tema se indica el nombre en inglés entre corchetes [ ]
Porosidad: tipos
Porosidad total y eficaz
Porosidad total [ porosity ] ( m t ) :
m (^) t = Volumen de huecos / volumen total
Puede expresarse en % o en tanto por 1 (en cualquier caso es adimensional). Es decir que
28% es equivalente a 0,28, pero dejando claro cómo se está expresando, porque también
puede existir una porosidad extremadamente baja del 0,28%
Porosidad eficaz [ specific yield ] ( m e ) :
m (^) e = Volumen de agua drenada por gravedad / volumen total
El numerador de esta expresión representa el volumen de los poros que se ha vaciado. Se
expresa igual que la porosidad total (% o en tanto por 1).
Retención específica : Diferencia entre los dos
parámetros anteriores.
Ejemplo (figura 1) :
Disponemos de 1 m 3 de arena seca, le introducimos agua
hasta que esté completamente saturado (todos los poros llenos
de agua). Supongamos que para ello 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:
1 m 3 = 1000 dm 3 1000 litros
m t = 280 /1000 = 0,28 28%
m e = 160 / 1000 = 0,16 16%
Retención específica = 0,28 ‐ 0,16 = 0,12 12%
Porosidad eficaz para el flujo [ effective porosity ]
También se define la porosidad eficaz como el
volumen de huecos disponible para el flujo respecto del
volumen total. Aproximadamente son cantidades
equivalentes: el agua que queda adherida a los granos y
que no puede extraerse tampoco permite el flujo: En la
figura 2 representamos en rayado el agua adherida a los
granos; los huecos que quedan (en blanco en el dibujo)
representan tanto el agua extraíble como la sección
utilizable por el flujo del agua subterránea.
La diferencia entre ambas porosidades eficaces serían
“las calles sin salida”, grupos de poros que disponen de
posible salida del agua que contienen, pero no por ambos
lados para permitir el flujo a través de ellos.
^
Fig.1.- Ejemplo de porosidad eficaz
por drenaje. Este volumen es el
Fig.2.- El agua adherida a los
granos no puede ser extraída y
tampoco forma parte de la
sección disponible para el flujo
Factores
Tanto la porosidad 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
En el caso de la porosidad intergranular, la porosidad total no depende del tamaño de
grano (piénsese que el porcentaje 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.
En la figura 4
3 se muestra la
variación de la porosidad total
y eficaz en función de la
granulometría para materiales
no consolidados. La porosidad
total es máxima para las
arcillas, pero la eficaz es casi
nula. La “porosidad eficaz”
aquí se refiere a specific yield (porosidad eficaz para drenaje).
En las numerosas reproducciones de este gráfico, en el eje horizontal a veces figura el diámetro 10%^4 y
otras veces el diámetro medio). Como en ningún caso se indica el grado de heterometría de los materiales,
podemos suponer que este famoso gráfico nos aporta solamente una información cualitativa, no cuantitativa.
También puede estimarse la porosidad eficaz
en el triángulo arenas‐limos‐arcillas de la
figura 5 (Johnson, 1967, p. D8).
En ambos gráficos, la “porosidad eficaz” se
refiere a specific yield (porosidad eficaz para
drenaje).
La porosidad también puede estimarse
mediante la expresión 5 :
u m
u = d 60 / d 10
d 60, d 10 = tamaños de grano por debajo de los
cuales se encuentran el 60% y el 10% del peso
del material.
(^3) Este gráfico está reproducido con variaciones en manuales y publicaciones, la mayoría de las veces sin citar su origen.
Es difícil concretar su primer autor, posiblemente Conkling (1934, p. 68) o Eckis (1934, p.90). Nuestra figura 4 es una
modificación del presentado por Stephens et al. (1998)
(^4) Tamaño tal que el 10% del material es más fino y el 90% es más grueso.
(^5) Según Vukovic y Soro (1992), citado en Odong (2008). Debe referirse a la porosidad total , aunque no se especifica.
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Fig. 4.- Variación de la porosidad con la granulometría en
materiales detríticos no consolidados
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Fig. 5.- Relación granulometría-porosidad eficaz
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 disolución de la
fractura o, por el contrario, la colmatación por minerales arcillosos o precipitación de otros
minerales.
Superficie freática. Acuíferos colgados
Los poros o fisuras del terreno están llenos de agua (“saturados”) hasta un determinado
nivel que se denomina superficie freática [ water table ], siempre que exista infiltración
procedente de las precipitaciones. Cuando esta superficie es cortada por un pozo, en éste el
nivel del agua coincidirá con la superficie freática: se habla del nivel freático en ese punto.
El concepto de superficie freática no es tan
simple: sobre ella existe una franja de terreno
saturada (poros llenos de agua), ya que el
agua ha ascendido por capilaridad. El espesor
de esta franja capilar puede ser inapreciable
en gravas hasta alcanzar varios metros en
arcillas.
La superficie freática es la superficie
formada por los puntos con una presión
igual a la presión atmosférica.
En B , la presión del agua es igual a la presión
atmosférica; por encima (punto A ) la presión es inferior
a la atmosférica: por eso el agua asciende succionada
contra la gravedad; y por debajo ( C ) es superior, ya que
soporta la presión de la columna de agua BC.
En general, se denomina zona saturada a la parte del subsuelo que se encuentra por
debajo de la superficie freática, y en la que todos los poros o fisuras están llenos de agua.
Por encima de la superficie freática hablamos de zona no saturada , aunque en ella pueden
existir poros húmedos o incluso saturados (además de la franja capilar ya explicada, por
ejemplo, masas de agua que están descendiendo por gravedad procedentes de
precipitaciones recientes).
La superficie freática en una
región es continua y suele presentar
una forma similar a la topografía,
pero suavizada (figura 7.a). Esto
necesita una cierta infiltración
procedente de las precipitaciones y
que no exista sobreexplotación
(extracción por bombeos excesiva).
A veces, cuando la superficie
freática regional se encuentra a cierta
profundidad y existe un nivel
impermeable que lo sustente, se
producen acuíferos colgados [ perched aquifers ], normalmente de dimensiones reducidas y sin gran
importancia dentro de los recursos hídricos de la región (figura 7.b).
1 2
1 ^
2
')
')
Fig. 7.- (a) Superficie freática paralela a la topografía.
(b) Superficie freática profunda y acuífero colgado
1 2
3
4 2
* 2
Cuando la superficie piezométrica está por encima de la superficie topográfica, se
producen los sondeos surgentes [ flowing well ].
La denominación “pozo o sondeo artesiano” [ artesian well ] es equívoca. Para algunos autores
artesiano es sinónimo de confinado y para otros de surgente , por lo cual es mejor evitarla 6
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 ʺpotencial hidráulicoʺ), mientras que el caudal que puede proporcionar el
sondeo depende de la Transmisividad y del Coeficiente de Almacenamiento (que veremos
en el siguiente apartado).
Más frecuentes que los
acuíferos confinados perfectos
son los acuíferos
semiconfinados [ leaky aquifer ].
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: leak = rezume)
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.
(^6) ʺArtesianosʺ tiene su origen en la región de Artois, Francia, donde el siglo XII los monjes del monasterio
de Lillers realizaron perforaciones surgentes (Needham,J., 1970, p. 34); parece que mucho antes existían
perforaciones surgentes en China y Damasco.
6 (^)
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,
ya que 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: el Coeficiente de almacenamiento ( S ) [ Storativity ] que se define así:
Volumen de agua liberado S Volumen total que ha bajado la superficie piezométrica
En la figura (a) vemos una columna de 1 m 2 de base de una acuífero confinado , en la que
la superficie piezométrica ha bajado 1 m. El pequeño volumen de agua obtenido es S.
Esta definición refleja también el concepto de porosidad eficaz : en la figura (b) una
columna de 1 m
2 de base de un acuífero libre en la que la superficie freática ha bajado un
metro; el volumen de agua obtenido es la porosidad eficaz ( specific yield ). Pero son dos
conceptos distintos:
En el libre , sólo aporta agua (por vaciado) el m 3 superior, entre las dos posiciones
sucesivas de la superficie freática.
En el confinado aporta agua (por descompresión) toda la columna vertical de acuífero;
por tanto, su magnitud depende del espesor geológico del acuífero.
Un concepto distinto es el Almacenamiento específico [ Specific Storage ] ( Ss ) que es el volumen liberado por
1 m^3 de acuífero confinado (no por toda la columna de acuífero) al descender 1 m. la superficie piezométrica.
Por tanto: S s = S / espesor
En la práctica ser utiliza el coeficiente de almacenamiento, S ( Storativity ), ya que es el parámetro que nos
indica el agua que podemos obtener de acuíferos confinados y semiconfinados. El valor de Ss se utiliza, por
ejemplo en MODFLOW.
El Almacenamiento específico ( Specific Storage, Ss ) es igual a:
S s = g m )
6
* 8 !
1 2
6
6
* 8 !
1 +
5
Transmisividad
Si observamos el dibujo intuimos que los dos estratos acuíferos deben proporcionar el
mismo caudal: la conductividad hidráulica del derecho es la mitad que el izquierdo, pero su
espesor es el doble.
!"#
$
!%
$
% #
5
5
Efectivamente, el parámetro que nos indica la facilidad del agua para circular
horizontalmente por una formación geológica es una combinación de la Conductividad
Hidráulica y del espesor:
Transmisividad = Conductividad hidráulica ∙ Espesor
Como las unidades de la Conductividad Hidráulica 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.
En el ejemplo mostrado en el dibujo anterior, la transmisividad en ambos casos sería de
150 m 2 /día.
La transmisividad es variable en acuíferos libres:
En un confinado su espesor es constante, luego la Transmisividad también es constante.
En un acuífero libre su espesor saturado varía con las oscilaciones de la superficie freática
(por ejemplo, invierno‐verano), con lo que varía también su transmisividad.
Resumen
La personalidad hidrogeológica de cualquier roca o formación geológica está definida
por dos factores:
‐ Su capacidad de almacén , de almacenar
agua y cederla después (porosidad
eficaz, coeficiente almacenamiento)
‐ Su cualidad de transmisor , de permitir
que el agua circule a través de ella
(permeabilidad, transmisividad)
Por tanto, la calidad de un acuífero está determinada por su transmisividad y por su
coeficiente de almacenamiento (o porosidad eficaz si es libre)
Relacionándolo con los
conceptos básicos del primer
apartado:
Porosidad total Permeabilidad
Acuíferos Alta o moderada Alta
Acuitardos Alta o moderada Baja
Acuicludos Alta Nula
Acuífugos Nula o muy baja Nula
Bibliografía (no citada en la web)
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