Download El oasis subterráneo - Cienciorama

http://www.worldsawesomeplaces.com/wp-content/uploads/2015/03/UNHVGIM.jpg
El oasis subterráneo
Ana Velázquez Olivera
Los caminos de la vida… digo del agua
Los astronautas siempre hablan de la Tierra como “el planeta azul” debido al
hermoso color que luce vista desde el espacio. Sí, la Tierra está cubierta de
agua, la de los océanos, ríos y lagos la llamamos superficial. También hay gran
cantidad de agua congelada en los glaciares, y hay además agua que no está
al alcance de nuestra vista, en lugares poco accesibles: a cientos de metros
de profundidad o llenando los pequeños poros y grietas de las rocas bajo el
suelo o a unos centímetros de la superficie aflorando en humedales u oasis, a
la que llamamos agua subterránea.
¿Cómo llegó ahí? La respuesta es sencilla y se debe al ciclo que sigue
el agua en la Tierra. Imagina que está lloviendo, una parte del agua de lluvia
la absorben las plantas, otra empieza a correr por la superficie hasta encontrar
ríos, lagos o incluso el océano –o la alcantarilla–, y otra parte se queda
simplemente sobre la superficie y eventualmente se evapora. Si la lluvia es
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
1
suficiente y las rocas donde cae permiten su paso, una fracción se infiltrará
por acción de la gravedad y llegará hasta donde encuentre una barrera de
duras rocas que le impidan seguir su camino y empezará a acumularse.
Cuando la acumulación es tal que los poros por donde pasa se llenan
completamente, estaremos frente a una zona saturada y conforme más agua
llegue la zona saturada se ampliará más y más, y he ahí todo el misterio del
agua subterránea: es agua que en lugar de correr sobre la superficie se infiltró
y quedó retenida en un estrato rocoso lleno de poros y grietas que la
contienen como una esponja; esta agua ha estado ahí la mayoría de veces por
miles y hasta por millones de años.
Por cierto, muchas personas creen que el agua subterránea se encuentra
en forma de ríos subterráneos, y están en lo cierto porque a veces esto sí
sucede pero sólo en las zonas kársticas (ver “¿Sólo hay cenotes en la
Península de Yucatán?” en Cienciorama), pero sin duda es más frecuente que
se encuentre atrapada entre pequeños poros y grietas.
Entre poros y grietas
Como viste, a la lluvia le debemos la existencia del agua subterránea, es la
encargada de recargar los lugares donde se almacena agua. Pero te mentí, las
cosas no son tan sencillas, la geología –el estudio del origen, formación y
evolución de la Tierra, los materiales que la componen y su estructura – y la
meteorología –estudio de los fenómenos atmosféricos– tenían que meter su
cuchara
y
es
por
ellas
que
todo
se
complica.
Porque
es
según
las
características de las rocas que el agua puede o no infiltrarse y acumularse, y
según las condiciones atmosféricas habrá o no lluvia suficiente para recargar
los estratos rocosos.
Empecemos con las rocas, las capas o estratos de roca bajo la
superficie tienen que cumplir dos características para poder funcionar como
contenedores; una es la de ser porosos, no importa cómo se hayan formado
esos poros: ya sea que las rocas al acumularse dejen huecos o que las rocas
se quiebren, o que el agua misma les haga cavidades por disolución –existen
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
2
rocas que se disuelven por la acción del agua y el dióxido de carbono– o que
hayan en ellas vesículas o huecos dejados por los gases que escaparon de la
lava, en el caso de las rocas volcánicas. La otra característica es que los
poros estén interconectados para que el agua pueda fluir a través de la roca.
Mientras más pequeños son los poros el agua fluye más lentamente y
viceversa. A los estratos de roca suficientemente porosos como para contener
agua en cantidades significativas y con la capacidad de dejarla fluir, se les
llama acuíferos y desde el punto de vista hidráulico éstos pueden estar libres,
semiconfinados y confinados.
Figura 2. Porosidad por acumulación de sedimentos y porosidad por grietas y fracturas. Para
generar una zona saturada los poros deben estar interconectados permitiendo el movimiento
del agua.
En los acuíferos libres el espesor del sustrato rocoso es generalmente mayor
que el del saturado de agua. El límite superior del área saturada de agua –
nivel freático – varía en función de los tiempos de lluvia y de secas. En general
el nivel freático adopta la forma de la superficie topográfica, y deja fluir el
agua de las zonas topográficas altas a las bajas. Un ejemplo de este tipo de
acuífero se halla en la península de Yucatán (ver la figura 3, letra A).
En los acuíferos confinados el agua está sometida a mayor presión que
la atmosférica debido a las pesadas rocas que la cubren; esto hace que ocupe
por completo todos los huecos de la roca. Estos acuíferos por estar totalmente
cubiertos de rocas impermeables casi no reciben recargas de agua. La
superficie del agua en ellos se denomina nivel piezómetro y en realidad es una
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
3
superficie virtual, porque este nivel varía en función de la presión a la que esté
sometida el agua (figura 3, letra C). En la ciudad de México se extrae agua de
un acuífero confinado y se está explorando para ver si se puede extraer más
agua de otro acuífero confinado aún más profundo –a más de 1800 metros de
profundidad-.
Figura 3. En esta figura puedes observar un acuífero libre marcado con la letra A, es un
acuífero granular (su porosidad se debe a la acumulación de sedimentos), pero también tiene
zonas donde está fracturado (parte izquierda), y la lluvia se puede infiltrar por todo el terreno.
Debajo de este acuífero hay uno semiconfinado, letra B, y en él la recarga sólo se efectúa en
la zona izquierda, o sea que su recarga es mínima. El pozo (2) que conecta con este acuífero
tiene más agua que el del acuífero libre porque el agua está a presión entre los poros y al
quitársela sube hasta su nivel real, al que se encontraría si no estuviera cubierta por pesadas
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
4
rocas. Finalmente con la letra C tenemos al acuífero confinado que ya no tiene recarga por
ningún sitio; en este caso es granular, pero recuerda que podría ser fracturado también. El
pozo (3) que lo conecta a la superficie es surgente o artesiano, como puedes observar su nivel
piezométrico es superior al nivel del terreno por lo que el agua emerge sin necesidad de
bombearla.
Por último, los acuíferos semiconfinados son básicamente como los confinados
pero con una capa rocosa sobre ellos que permite que les llegue agua de
manera muy lenta o la capa que los confina se interrumpe haciéndolos libres
en ciertas zonas. El acuífero de Piedras Negras, en Coahuila, es un buen
ejemplo de esto. Este acuífero está confinado por un paquete de rocas, pero
hay zonas donde el paquete no existe y se lleva a cabo una recarga y
descarga de agua.
Y las cosas se ponen peor porque a veces nos topamos con que en un
mismo lugar existen acuíferos libres, confinados y semiconfinados, o tenemos
un acuífero libre con diversos materiales que hacen que el agua fluya más
rápido en ciertas zonas que en otras, etc. Lo que sí es claro es que cada
acuífero se originó en un tiempo geológico determinado y en relieves muy
diferentes unos de otros.
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
5
Figura 4. En este mapa puedes observar las áreas donde se han encontrado los mayores
acuíferos del mundo, como ves ninguno de ellos respeta fronteras políticas, y hasta en el
Sahara que es un desierto, podemos encontrar agua subterránea. Imagen traducida de
http://www.globe-net.com/stress-on-water-resources-threatens-lives-and-livelihoods/
Muchas veces se dice que los geólogos son muy imaginativos porque tienen
que armar con pocos datos la historia geológica de un lugar. Seamos como
ellos un momento, imagina que estás frente a un acuífero libre, y que de
pronto hace erupción un volcán sepultándolo completamente, entonces se
produciría un acuífero confinado o se detendría la recarga en ciertas zonas. O
imagina que un acuífero pierda gradualmente su agua porque se abrió una
gran falla por movimientos tectónicos, etcétera. El planeta está en constante
movimiento y por eso existen acuíferos dispersos por todo el mundo, algunos
son más profundos que otros o de mayor volumen que otros, en definitiva
cada uno cuenta una historia diferente.
Ya traigo la pala, ahora dígame donde cavo
Y si esta agua no se ve, ¿cómo la encontraron? Las evidencias más antiguas
de extracción de agua subterránea son un pozo de dos metros y medio de
diámetro y cuatro metros de profundidad, excavado en Siria hace unos 9 mil
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
6
años y otro de 10 metros de profundidad excavado en Chipre hace entre 9 y
10 mil años. Hay que tener en cuenta que estos pozos fueron excavados en
los inicios del Neolítico y por tanto con herramientas de piedra, pues la Edad
del Bronce no comenzó hasta hace unos 5,500 años.
Quizá
encontraron
el
agua
subterránea
en
la
superficie.
Suena
contradictorio pero como muestra la figura 3, los oasis y manantiales son
lugares donde el agua subterránea aflora y éstos tienen la ventaja de no
depender de épocas de lluvias o de secas. Pero a ciencia cierta no sabemos
cómo y cuándo se descubrió en la antigüedad el agua subterránea.
Los autores grecorromanos, que son los que nos dejaron mayor número
de noticias de la antigüedad, hablaban a menudo de corrientes subterráneas a
veces de magnitudes extraordinarias, que cruzaban continentes y manaban del
fondo de los mares o de las cumbres de las montañas. Pero más allá de estas
ideas, poco escribieron del oficio concreto de buscar y encontrar afloramientos
de agua.
Con la revolución industrial y científica del siglo XIX, la exploración de
aguas subterráneas siguió dos vías: una académica basada en primer lugar en
la interpretación geológica y la aplicación de la ley del francés Henry Darcy
(1856) y otra popular o pseudocientífica, la radiestesia. Ambos métodos siguen
vigentes.
Pero
ten
cuidado,
la
gente
con
el
don
de
encontrar
agua
generalmente la localiza en zonas donde es casi imposible no encontrarla,
lugares donde se ha comprobado la existencia de agua y utilizan sus
conocimientos prácticos en su favor, pero cuando la sacas de esos lugares
suele fallar muy a menudo.
La ley de Darcy
En la figura 3 se muestra con flechas azules hacia dónde se dirige el flujo de
agua, así que todo parece muy obvio, pero si de pronto cavaras y encontraras
agua subterránea ¿cómo sabrías de dónde viene y hacia dónde va, qué
velocidad tiene y cuánta puedes extraer? Este problema lo resolvió el ingeniero
francés Darcy en el siglo XIX. Cuando acabó la carrera de ingeniería se enteró
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
7
de que su ciudad padecía escasez de agua. Inmediatamente empezó a trabajar
en este problema y diseñó un sistema para captar, entubar y distribuir el agua
de una gran fuente que se encontraba a 10 km de distancia de la ciudad,
dándole por primera vez a Dijon , Francia, un abastecimiento de agua seguro,
que no fluctuaba dependiendo de las lluvias o las sequías. ¿Te suena?,
probablemente se trataba de agua subterránea.
Pero Darcy no se quedó ahí, también trabajó en París con problemas
relacionados con la distribución de agua, que incluyeron estudios del flujo en
las tuberías. En su informe final incluyó algunos anexos donde habló del uso
de filtros de arena para clarificar el agua y fue precisamente al observar cómo
pasaba el agua por las arenas que Darcy pensó, desarrolló y propuso la ley
que
lleva
su
nombre.
En
ella
describe,
con
base
en
experimentos
de
laboratorio, las características del movimiento del agua a través de un medio
poroso.
Darcy imaginó un acuífero como si fuera un permeámetro; esto es, un
tubo de diámetro constante relleno de arena por donde se hace circular agua
conectando uno de sus extremos a un depósito elevado con nivel constante de
agua, mientras que en el otro extremo se regula la cantidad de salida de agua
o caudal mediante un grifo (figura 4) y se hacen mediciones de la altura de la
columna de agua en varios puntos con ayuda de pequeños tubitos del mismo
tamaño conectados al tubo principal (mínimo dos [A y B], figura 4).
Darcy encontró que conforme variaba el volumen de salida de agua con
el grifo o moviendo el depósito elevado, variaban también los niveles de agua
en los tubitos medidores, sin importar el diámetro de los tubos o la proximidad
de las mediciones. Entonces llegó a la conclusión de que aunque se cambiara
cualquiera de las variables, siempre que se utilizara la misma arena, se cumple
que:
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
8
Figura 5. Permeámetro de carga constante. Q (caudal), es igual a la sección, por ∆h/∆l
(gradiente hidráulico), recuerda que un gradiente es el incremento de una variable entre dos
puntos del espacio, en relación con la distancia entre esos dos puntos. El incremento de la
variable ∆h aquí sería la diferencia potencial entre A y B, y el espacio entre dos puntos sería:
∆l= distancia entre A y B por K (una constante que se refiere a la conductividad hidráulica de
cada material
–o sea la estimación de poros e interconexiones– aquí el material es arena).
Si utilizamos una arena más fina o gruesa y movemos de nuevo todas las
variables,
se
vuelve
a
cumplir
la
ecuación
anterior,
sólo
cambia
la
conductividad hidráulica (K). Por lo cual Darcy concluyó también que la
conductividad hidráulica es una constante propia y característica de cada
material rocoso. Actualmente existen tablas que nos marcan el valor de la
conductividad hidráulica (K) según el material rocoso que encontremos en el
subsuelo, ya sean arcillas, arenas, gravas, calizas, etc., para poder calcular el
caudal de agua que puede ofrecer un acuífero.
Ahora bien, las unidades de Q son L³/T, la sección se encuentra en L²,
∆h y ∆l son longitudes, lo cual prueba que las unidades de conductividad (K)
son las de una velocidad. Te mostré la expresión anterior de la ley de Darcy
porque es muy didáctica, pero la expresión correcta es:
q= -Ka(∆h/L)
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
9
Dónde: q = Q /sección (es decir: caudal que circula por m²de sección); Ka =
conductividad hidráulica; ∆h/ L= gradiente hidráulico expresado en incrementos
infinitesimales (L=∆l, el signo menos se debe a que el caudal es una magnitud
vectorial, cuya dirección es hacia los ∆h decrecientes; es decir que ∆h es
negativo y, por tanto, el caudal será positivo).
Sólo hay un pequeño detalle más, si calculamos la velocidad a partir del
caudal y de la sección, que son conocidos, obtendremos una velocidad falsa
porque el agua no circula por toda la sección del permeámetro, sino
solamente por una pequeña parte de ella (recuerda hay poros que no están
interconectados, además una parte del agua se encuentra adherida a los
granos de arena, por lo que sólo hay una sección entre los poros apta para
que corra el agua), así que lo que se hace para calcular la velocidad real es
utilizar la llamada porosidad eficaz (volumen de agua que un medio poroso
puede ceder, equivalente al volumen
extraíble en un
acuífero libre).
La
porosidad eficaz se calcula para cada medio rocoso dado (existen valores
guía).
Supongamos que inicialmente disponemos de 1m³ de arena seca y le
introducimos
agua
hasta
las
condiciones
de
saturación,
para
lo
cual
necesitamos 300 litros de agua y que al dejar drenar la misma sólo
recuperemos 100 litros. ¿Cuánto vale la porosidad total (la que usa la ley de
Darcy) y la porosidad eficaz del cubo? es un simple porcentaje, 1m³ es
equivalente a 1,000 litros, entonces 300L/1000L x 100= 30% (porosidad total),
100L/1000Lx100= 10% (porosidad eficaz). Claro que siempre habrá un error en
el cálculo de la velocidad porque el camino que recorre el agua no es recto,
es tortuoso.
Límites de Darcy y nuevos avances
La ley de Darcy tiene sus limitaciones porque supone que el tipo de material
por el que pasa el agua es homogéneo –lo cual es inusual– y que la
viscosidad del fluido siempre es la misma, pero pensemos por ejemplo en el
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
10
aceite o el petróleo, éstos tienen viscosidades muy diferentes al agua. Además
esta ley supone que toda el agua fluye de manera lenta sin generar
turbulencias, y eso se cumple sólo en acuíferos granulares, pero en acuíferos
fracturados esto es imposible, y no toma en cuenta los movimientos verticales
del agua, sólo los horizontales. Aun así la ley de Darcy se sigue usando
adaptando su ecuación a diferentes medios sumándole otras variables según
las características de cada acuífero.
Actualmente para la exploración de agua subterránea se utilizan métodos
geofísicos que nos brindan datos del interior de la Tierra. Todos son indirectos,
te explicaré sólo uno, los SEV –sondeos eléctricos verticales–, este método
consiste en la inyección artificial de corriente eléctrica, y mide la resistividad
de cada material en el subsuelo. La resistividad es la resistencia eléctrica
específica de cada material para oponerse al paso de una corriente eléctrica.
Se designa con la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios por
metro (Ω•m). Como ejemplo, un material de 1m de largo por 1m de ancho y
por 1m de altura que tenga 1Ω de resistencia tendrá una resistividad
(resistencia específica) de 1Ω•m. La resistividad de la mayoría de las rocas y
sedimentos secos es elevada, por lo que actúan como conductores de baja
capacidad, este comportamiento cambia significativamente cuando las fisuras o
los poros están ocupados por agua, ya que se genera una disminución de la
resistividad. Además del grado de saturación también incide el contenido salino
del agua –a mayor salinidad, menor resistividad y viceversa–.
Una
vez
obtenidas
las
resistividades
del
subsuelo
se
procede
a
interpretar los datos, en general se cuenta con rangos previamente calculados,
por ejemplo en un estudio realizado en el acuífero de la península de Yucatán,
se estimó que para la zona saturada de agua dulce la resistividad tenía un
rango de10Ωm a 345Ωm, para la zona saturada de agua salada de 0.01Ωm a
1.5Ωm, y para la zona de roca caliza compactada de2500Ωm a 6500Ωm. Como
viste al cambiar de la roca compacta a la zona saturada la resistividad baja
significativamente, y baja aún más al pasar por agua salada. De esta manera
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
11
se va estimando qué hay en el subsuelo. Además se usan programas
informáticos con los que conjuntando diferentes variables se puede deducir el
lugar más probable donde puede hallarse el agua, y claro, se sigue haciendo
la perforación directa.
Y también tenemos un montón de ramas de la ciencia que ayudan a
saber más sobre el agua subterránea y su comportamiento, como la hidráulica
de pozos, la mecánica de fluidos (ver “Líquidos gruesos y delgados” en
Cienciorama), la química, etc.
Hundimientos y desecación
Una vez localizado un acuífero es muy importante saber hacia dónde fluye el
agua porque sólo así se pueden localizar sus áreas de recarga y descarga.
Dependiendo de su geología podemos saber además con qué velocidad se
recarga, o si ya no se está recargando. Si se logra medir su espesor saturado
también se puede estimar hasta dónde es posible extraer agua sin afectar su
nivel. Con ayuda de pruebas químicas también es posible saber la calidad y las
características del agua. De esta manera se proyecta mejor la ubicación de los
pozos, cuánta agua se puede bombear, qué lugares no deben usarse para
desechar sólidos o líquidos que puedan producir lixiviados (líquidos altamente
contaminantes) que lleguen al acuífero (zonas de recarga), etc. Mientras más se
conoce un acuífero es posible afectarlo menos y aprovecharlo por más tiempo.
¿Qué pasa si se extrae más de lo que se debe? En la Ciudad de México la
extracción masiva de agua ha provocado hundimientos en las calles, y esto
afecta la infraestructura de la ciudad. De hecho, al Ángel de la Independencia
se le han tenido que construir 10 peldaños más debido a que todo a su
alrededor se hunde excepto la columna –por los cimientos profundos que
tiene–. Esto les pasa a varios edificios en el centro de la ciudad como el del
Banco de México, pero hay otros que se hunden junto con el suelo como la
Torre Latinoamericana y el Palacio de Bellas Artes. Hay otros que se están
hundiendo sólo de un lado como la iglesia ubicada en la calle Rodríguez
Puebla, en el centro de la ciudad, que ahora está inclinada –es nuestra versión
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
12
de la torre de Pisa–. Y claro, hay innumerables hundimientos de banquetas y
casas por muchas zonas de la Ciudad.
Imagen 1. La zona donde se ubica el Ángel de la Independencia se ha hundido 3m. En la
imagen derecha se aprecia el hundimiento de entre 50 y 70cm de un edificio de 11 pisos en
la colonia Roma, probablemente se colapsará. Imagen tomada de
http://www.tlalpan.info/2014/12/10/edificio-en-avenida-chapultepec-registra-hundimiento-tlalpan/
Otro problema de la extracción desmesurada es la desecación de manantiales,
oasis y humedales; esto está sucediendo en Cuatro Ciénegas, Coahuila, donde
la extracción de agua para las industrias está desecando las lagunas y está
acabando con uno de los ecosistemas más fantásticos de México.
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
13
Imagen 2. El humedal de Cuatro Ciénegas, Coahuila, se seca lentamente por extracción de
agua y desvío de ríos para uso agrícola. Imagen de la Dra. Valeria Souza Saldivar en
http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2011/10/19/140579
¿Y la contaminación? Los desechos de las actividades humanas son uno de los
grandes problemas del mundo y también afectan el agua subterránea, pero de
eso te hablare en mi siguiente artículo, así que por ahora aunque te parezca
absurdo, el mayor favor que le puedes hacer al agua es separar la mal
llamada basura, para que no acabe en algún río, alcantarilla o basurero a cielo
abierto que permita que se infiltren los líquidos contaminantes. Y si alguna vez
tienes
la
oportunidad
de
ir
a
Cuatro
Ciénegas
te
lo
recomiendo,
es
simplemente maravilloso ver un humedal en el desierto.
Fuentes

Price, Michael, Agua subterránea, The University of Reading, UK and British Geological
Survey. Tr. Carrillo-Rivera, Joel. Limusa, México, 2011.

Tarbuck, Edward J. y Frederick K. Lutgens, Ciencias de la Tierra. Una introducción a la
geología física, décima edición, Pearson educación, Madrid, 2013.

Espriu, Antonio Hernández, Hidrogeología. Asignatura en Ingeniería Geológica, Facultad
de Ingeniería UNAM. México, 2013.

http://www.agua.org.py/images/stories/biblioteca/subterraneas/javier-sanchez_flujo-enmedios-porosos---ley-de-darcy.pdf

http://archivo.eluniversal.com.mx/ciudad/103333.html

http://blog.aterrageo.com/352/
El oasis subterráneo / CIENCIORAMA
14