Aguas subterráneas, un bien natural

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 95)

Ignacio Fernández Marcos, Físico Automática Industrial, Ingeniero Técnico Industrial Mecánico, Máster Gestión Pymes, Experto en MEF de Estructuras, Especialista en Geotecnia y Cimentación MEF, Máster en Hormigón Armado de edificios, Máster en Cosmología Física, Certificado de Cualificación de Prospección y Especificación, Calificación Técnica y Soporte a Planta de Sistemas Móviles, de Acceso Radioeléctrico, Complementarios y Antenas.

Tanto el agua superficial como las aguas subterráneas son muy importantes y complementarios.

El agua es importante para la vida, Carta Europea del Agua de la FAO. Es esencial en la Agricultura, Industria, consumo humano, animal y vegetal, sanitario, ocio, higiene, etc.

En la hidrosfera el agua dulce más abundante es el hielo glaciar. En segundo lugar se encuentra el agua subterránea, más del 10 % del total. Si no se tiene en cuenta el agua en forma de hielo, más del 90 % del total es agua subterránea.

El agua como bien escaso ha de ser explotado racionalmente. tanto en las aguas superficiales como en las subterráneas. Es importante la gestión y calidad del agua, evitando por ejemplo la contaminación por nitratos y plaguicidas. La protección de las aguas, en particular de las subterráneas se recoge en la Directiva 2000/60/CE del Parlamento Europeo. Se establecen zonas protegidas que suministran más de 100 m3 diarios. Las Confederaciones Hidrográficas cuentan con sistemas automáticos de aforación mediante sensores que envían la información por radio y satélite. Asimismo el Instituto Geológico y Minero tiene una red de control químico con más de 4.500 puntos de control: Se mide el yeso disuelto, ph del agua, conductividad, nitratos, nitritos, amonio, cianuros, metales; etc así como el nivel piezométrico de las aguas subterráneas. Las aguas subterráneas inciden en ríos, mares, manantiales, pozos, etc. De ahí la importancia de la no contaminación de las aguas subterráneas. Muchos humedales se abastecen de las aguas subterráneas. El problema más importante es la contaminación de las aguas subterráneas por vertidos industriales y mineros que contienen metales pesados, entre otros: cinc, cadmio, plomo, cobre, cromo, mercurio, talio.

No se ha de abusar del consumo de aguas subterráneas mediante su sobreexplotación para no provocar entre otros problemas el agotamiento de los acuíferos. Para algunos autores, el agua subterránea se considera un recurso no renovable de entrada.

Calidad del agua subterránea

La contaminación del agua subterránea además de lo ya citado puede producirse por: Sistemas sépticos, tanques de almacenamiento de sustancias químicas y peligrosas, fugas de oleoductos, bacterias patógenas, etc. El agua lleva en disolución además de las bacterias, anhidrido carbónica, carbonato cálcico y magnésico, cloruro potásico ClK y sódico ClNa, sulfato cálcico hidratado SO4Ca2H2O, sulfito cálcico SO3, principalmente.

Permeabilidad de las rocas

Esta característica depende de la porosidad de las rocas. Se distinguen dos tipos de rocas: Permeables (arenas, gravas, calizas, areniscas; etc.) e impermeables (arcillas,pizarras, granitos, etc.). Cuando el agua sale de dentro de la tierra por flujo natural, lo hace en manantial o fuente a través de terrenos permeables.

Ciclo del agua en la naturaleza

El agua de las precipitaciones (lluvia, nieve, granizo, etc.) sigue la siguiente ecuación:

LL = T + S + V

En la que:
LL = agua de precipitación T = agua superficial
S = agua de subsuelo
V = agua de evaporación.

La evaporación mayor se produce en el mar. Las fuentes son presentaciones en superficie del nivel freático. Pueden ser: De ladera, de valle o manantiales y provinientes del interior de la tierra. Cuando llueve la parte de agua que queda en la superficie determina la humedad del suelo, la parte que penetra en el interior llena la cavidad o zona de saturación. La cota superior de dicha zona se llama nivel freático. Se distinguen dos zonas en el fenómeno de precipitación, zona de aireación en la que el agua se desplaza verticalmente y zona de saturación en la que lo hace horizontalmente. La actuación entre las aguas subterráneas y las aguas de corriente (ríos, arroyos) se denomina corriente influente si se lleva desde la corriente al agua subterránea y efluente en caso contrario.

Prospección del terreno.

Las técnicas de prospección son: Electrónicas, electromagnéticas, sísmicas y gravimétricas. Los sondeos de investigación del terreno se llevan a cabo a distintas profundidades y al final se elabora un informe.

Es importante medir las constantes del terreno (conductividad y constante dieléctrica) así como el campo eléctrico y el campo magnético.

Las medidas sobre el terreno pueden ser:

• Mediciones superficiales: Topográficas.
• Mediciones internas: Acústicas, deflectométricas, inclinométricas,
• Mediciones de presión: Piezométricas.
• Mediciones de temperatura, de radiaciones, etc.

Fundamentos teóricos.

• Principio de Terzaghi: La presión total de un terreno saturado de agua es la suma de la pre-sión del terreno seco y la presión del agua.
• Fórmula de Darcy:
  q = c dh/dl
  donde q es el caudal por unidad de área, c es una constante de proporcionalidad y dh/dl es la pér-dida de carga o gradiente hidraúlico.
• Capacidad de infiltración del agua de lluvia. Ecuación de Horton.
  i = ic + (io – ic) exp (- z t)
  donde z es una cte. que depende del tipo de terreno, t es el tiempo que dura la lluvia, ic es el valor máx. de capacidad de infiltración de la lluvia, io es el valor estable al cabo de cierto tiempo de la capacidad de infiltración

1. Aguas subterráneas

El agua subterránea contribuye entre otras cuestiones a la formación de lagos mediante lo que se llama flujo basal, es decir, por debajo del nivel freático, el suministro a las zonas de cota más baja de lagos y ríos así como mediante flujo intermedio y flujo superficial por encima de los niveles de aquellos.

1.0. Subsidiencia:

Es un tipo de colapso del terreno caracterizado por su deformación al variar la cantidad de agua subterránea por sobreexplotación de acuíferos, etc. En el caso kárstico, las depresiones del terreno se denominan dolinas. En este caso se forman cavernas de caliza. Las causas de la subsidiencia son: disolución de rocas solubles, descongelación del suelo helado, compactación de sedimentos recientes, contracción de suelos expansivos construidos en épocas secas y que se expanden en épocas húmedas, terremotos, vaciado de zonas magmáticas, sobreexplotación de acuíferos, drenaje de humedales, excavaciones mineras, domos de sal, etc.

La ecuación química en el caso kárstico es:

CO₂ + H₂0 + CaCO₃ – 2 HCO₃Ca

en la que:
CO₂ es anhidrido carbónico
H₂0 es agua
CaCO₃ es carbonato cálcico y
HCO₃Ca es hidrogenocarbonato de calcio.

El principal efecto del agua subterránea sobre el terreno es el de la resistencia del terreno, por lo que si se pierde agua, el terreno cede.

Es muy importante la red de agua subterránea de Tenerife que se realiza por pozos y galerías subterráneas.

1.1. El agua subterránea en la historia de España:

La obtención de agua subterránea a lo largo de la historia ha tenido varios hitos:

• Hombre primitivo:
  • Paleolítico. Citemos como ejemplo la cueva de Anaitz (Navarra).
  • Neolítico. Pozos de Menga (Málaga), Azuer (Ciudad Real) y Alcaidús (Menorca).
  • Roma: Puteal (brocal de pozo) de la Moncloa; Ciudad de Naeva (Cantillana, Sevilla); sistema kárstico de Tarragona y sierra de Aznar (Cádiz)
  • Imperio musulmán: Alhambra (Granada); qanat mina de agua de Zucaña (Albacete); castillo de la Mota (Jaén) y Es Broll de Buscatell (Ibiza).
  • Edad Media en la zona cristiana: Fuente de la calle Hortaleza; viajes de agua de Madrid y de El Pardo; acueducto de Albarracín (Teruel); fuente de Cella (Teruel); Arca del Agua en Guadalupe (Cáceres) y fuente de la catedral de Ávila.
  • Barroco: Amaniel.

El agua subterránea representa el 43 % del agua utilizada en España. En España las aguas subterráneas ocupan el 70 % de la superficie.

En las zonas de aireación el agua fluye verticalmente hacia abajo, en cambio en las zonas de saturación el agua se mueve principalmente dirección horizontal.

En la zona superior de la zona de saturación la presión del agua es superior a la presión atmosférica. En la zona de aireación el agua se abre paso a través de los huecos y coexiste con el aire.

En la zona de saturación el agua rellena todos los poros del material sólido del terreno.

2. Acuíferos

Son formaciones capaces de almacenar agua y transmitirla (gravas, arenas, calizas, etc.). Además se llaman acuitardos, cuando almacenan agua de manera considerable pero son incapaces de transmitirla (limos, arenas arcillosas, etc.). También se encuentran los acuitardos, incapaces de almacenar y transmitir el agua (arcillas, etc.). Los acuíferos normalmente no conforman ríos subterráneos. Estos últimos son más raros de formarse.

Otra clasificación: Acuíferos libres (no situados en zonas impermeables), semiconfinados (situados entre dos zonas impermeables horizontales) y confinados (situados entre dos zonas impermeables horizontales y entre dos zonas verticales).

El movimiento del agua al entrar verticalmente en el terreno y llegar a un acuífero forma las siguientes zonas: Suelo, zona de aireación (el agua consiste con el aire) y zona saturada (el agua rellena todos los poros del material).

La presión del agua en la zona más alta de la de saturación es superior a la presión atmosférica.

Otra clasificación tiene en cuenta la composición del terreno: Acuíferos porosos, kárstico fisurados, kársticos porosos.

La sobreexplotación de los acuíferos puede producir la subsidiencia del terreno. Se puede decir que gran parte de la resistencia del terreno la consigue la presión de agua aunque puede haber otras causas. Es necesario, al contrario, recargar los acuíferos.

Pozo artesiano: El agua subterránea se encuentra contenida entre dos zonas impermeables. Al abrir un pozo, el agua sale por encima de la superficie del terreno. El agua se eleva hasta el nivel denominado piezométrico.

La desecación de humedales afecta también a los acuíferos y manantiales que alimentan aquellos. Por eso en principio, no debe realizarse esa desecación.

2.0. El 20 % de los acuíferos están sobreexplotados

Pozos: No se ha de abrir dos pozos muy próximos sobre el mismo acuífero para no agotar el mismo, salvo que aquel sea muy profundo. En zonas costeras hay que cuidar especialmente la sobreexplotación del acuífero para no obtener al final, agua salada.

2.1. Construcción de pozos:

Los pozos entubados se llevan a cabo con o sin filtros. Sin filtro cuando se trata de estrato de roca consistente y se realiza con tubo de revestimiento. El filtro puede ser de tela metálica inoxidable o acero galvanizado o incluso de gravilla. En este último caso, el filtro sustituye a una parte del tubo de revestimiento.

La primera etapa del pozo se emboquilla y cementa. En esta etapa se utiliza un mayor diámetro que en la parte más profunda del pozo.Se utiliza si es necesario un tubería de revestimiento.

Cada cierto tiempo ha de limpiarse el pozo, comprobando si hay o no corrosión (química, electroquímica, por bacterias) y el estado general en la tubería de revestimiento. En otras ocasiones es necesaria la acidificación controlada de pozos.

Los características a tener en cuenta en la construcción de un pozo son:

• Seguridad personal en la ejecución
• Profundidad
• Tamaño
• Verticalidad: La desviación es de 0,25 – 0,5º sexa-gesimales
• Tiempo de realización del pozo
• Alteración del terreno
• Seguridad a posteriori para rescatar personas o animales

El sistema de perforación de los pozos puede ser: por percusión, por rotación, por aire comprimido, por barrena helicoidal o por corona.

Un dato a tener en cuenta al calcular la bomba necesaria para extraer agua de un pozo es la posible generación de cavitación en las tuberías de salida del agua al generarse vapor de agua que puede llegar a explotar dichas tuberías. En los pozos, la energía en la superficie libre del agua del pozo menos las pérdidas de carga en las tuberías de acceso a la bomba ha de ser igual a la energía a la entrada de la bomba.

3. Drenaje de túneles

El drenaje del agua que se acumula en los túneles puede realizarse longitudinalmente (por medio de un colector central) y auxiliado por bomba. En el exterior de los túneles se producen dos tipos de flujo de agua, uno vertical y otro radial.

4. Cimentaciones

Es importante poder drenar el agua en las cimentaciones. Las cimentaciones complejas se llevan a cabo en terrenos con: arcillas expansivas por tratarse de suelos colapsables, cavidades kársticas y volcánicas por suelos inestables y vertederos por ser terrenos no homogéneos.

Algunos ejemplos de cimentaciones, costosas, en zonas inundables: Terrenos rellenos de hormigón, pilotaje con inyección especial, terrenos rellenos de material compactable, mediante losa de hormigón, con losa e inyectores.

5. Deslizamientos del terreno

Es otro problema a considerar en las laderas del terreno.

6. Lixiviación de aguas subterráneas

Se produce por el arrastre de materiales diversos por las aguas subterráneas hacia los ríos y hacia el mar, con el consiguiente daño al ecosistema.

7. Aplicación práctica

Pozo.

8. Bibliografía

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