Lección 1. El ciclo del agua Aguas superficiales y subterráneas

Lección 1. El ciclo del agua Aguas superficiales y subterráneas

Lección 1. El ciclo del agua
Aguas superficiales y subterráneas. Conceptos de Hidrología e Hidrogeología.
Relaciones con otras ciencias. Desarrollo histórico. Perspectivas actuales.
Orientación bibliográfica básica.
INTRODUCCION
Probablemente, uno de los principales motivos que han conducido a la actual situación
de déficit hídrico en algunos casos, y de deterioro de la calidad del agua en la mayor
parte de los casos, haya sido una preocupante ignorancia sobre los mecanismos y los
principios físicos que rigen el movimiento de las aguas subterráneas. Esta ignorancia,
que está justificada en los usuarios, también ha estado presente en las administraciones
públicas y, singularmente, en aquellas con competencias en política hidráulica. Pueden
argumentarse diversas razones para tratar de justificar esta carencia de conocimientos
pero, sin duda, una de las principales es la herencia cultural secular que consideraba las
aguas subterráneas como algo misterioso, casi esotérico, para cuyo estudio se
necesitaban condiciones extrasensoriales sólo al alcance de los zahoríes o
radioestesistas. Esta aproximación a las aguas subterráneas, practicada no sólo por
particulares sino por la propia administración, está felizmente superada por una pujante
ciencia hidrogeológica que se plantea el difícil reto de poner orden en la gestión de los
recursos hídricos subterráneos.
Otra de las razones de esta ignorancia ha sido lo que el profesor Davis denominó
hidroesquizofrenia, en referencia al absoluto divorcio entre aguas superficiales y
subterráneas, a favor de las primeras y con notable desprecio hacia las segundas.
En las últimas décadas, el agua es motivo de preocupación social, ocupa grandes
espacios en los medios de comunicación y es objeto de numerosos debates; sin
embargo, es habitual detectar frecuentes y numerosos errores conceptuales que
inducen a confusión y que no ayudan a que la sociedad comprenda el problema en toda
su extensión.
LA UNIDAD DEL CICLO DEL AGUA
Uno de los conceptos básicos en Hidrología es el Ciclo Hidrológico, que supone un
movimiento o transferencia de masas de agua, de forma continua, en diferentes estadios
o etapas. El carácter cíclico de este movimiento permite abordarlo desde cualquiera de
sus etapas, por ejemplo, desde el agua contenida en estado de vapor en la atmósfera.
Parte de este vapor se condensa, dando origen a las precipitaciones en forma líquida
(lluvia) o sólida (nieve esencialmente). Parte de la precipitación no llega a alcanzar la
superficie de la tierra, por evaporación, y otra es retenida en las hojas de los árboles,
edificaciones, carreteras -intercepción- volviendo a la atmósfera de nuevo en forma de
vapor.
Del agua que alcanza la superficie de la tierra, una pequeña porción es retenida en las
irregularidades del terreno -almacenamiento superficial-, parte se une y escurre hacia los
ríos -escorrentía superficial- que irá a parar al mar o a los lagos, para evaporarse
posteriormente o infiltrarse parcialmente en el terreno. Otra porción de la precipitación
se infiltra en el terreno, en los poros y fisuras, con una porción de la misma que percola
en profundidad y otra que es retenida para posterior evaporación y uso en las
actividades biológicas de los seres vivos -transpiración-; al conjunto de ambas se le
denomina evapotranspiración. El agua así infiltrada surgirá por manantiales,
directamente en cauces de superficie, en lagos o mares directamente, o será extraída por
el hombre, parte de la cual vuelve a evaporarse o transpirarse, otra se infiltra y otra
escurre por los cauces al mar.
Este ciclo se puede complicar cuanto se quiera. Una molécula de agua puede volver
inmediatamente a la atmósfera o tardar milenios, o no llegar nunca, al reciclarse
continuamente dentro de alguno de los ciclos parciales (por ejemplo, bombeo infiltración - bombeo - infiltración..).
Es opinión bastante extendida entre los hidrólogos que la cantidad de agua total sobre la
tierra se ha mantenido prácticamente constante, al menos durante los últimos tiempos
geológicos.
El hombre siempre ha pretendido intervenir en el ciclo hidrológico, con el fin de proteger
sus intereses. En este sentido, en la actualidad, la mayor parte de los cursos principales
de superficie tienen modificado su régimen natural (construcción de embalses de
superficie), y se actúa de forma cada vez más acusada sobre los embalses subterráneos.
El hombre trata también de intervenir en otras fases del ciclo, como es por ejemplo en la
generación de lluvia artificial. La deforestación, aunque se carece aún de perspectiva,
actúa de forma muy negativa, generando desertización.
De todo lo expuesto, y simplificando de forma notable el problema, podríamos
diferenciar la existencia de un ciclo rápido y de un ciclo lento. El ciclo rápido sería:
precipitación - escorrentía superficial - río - mar - evaporación - precipitación. El ciclo
lento sería: precipitación - infiltración - circulación en el manto acuífero (muy lenta) manantial - río - mar - evaporación - precipitación. Mientras que el rápido puede durar
pocos días, o algunos meses a lo sumo, el ciclo lento puede durar varios años, e incluso
milenios, como consecuencia de la baja velocidad de circulación de las aguas en el
interior de los acuíferos.
LA UTILIZACION DE AGUAS SUBTERRANEAS
Cuando se trata de obtener recursos del ciclo, las mejores oportunidades nacen de la
consideración del conjunto de recursos de agua (superficiales, subterráneas, residuales
tratadas, desalinizadas,...), en sus circunstancias naturales o modificados por obras
hidráulicas, para asignar objetivos de puesta a disposición de agua en cantidad y
calidad, en su lugar y tiempo, respetando restricciones técnicas, económicas y legales, y
también políticas y culturales, y salvaguardando el medio ambiente. Es lo que se
denomina uso conjunto, que está muy relacionado con los conceptos de utilización
racional y gestión de los recursos de agua, y con la adecuación de la demanda de agua
(Custodio, 1997).
Como ya se ha comentado, la explotación de las aguas subterráneas contrasta con la
frecuente propensión de los organismos públicos hacia las grandes obras hidráulicas
para la gestión de las aguas superficiales (Llamas, 1991), cuando realmente las aguas
subterráneas poseen características que las hacen especialmente atractivas, asequibles,
evaluables y merecedoras de conservación, protección y restauración. Estas
características, según Custodio (1997) son las siguientes:
• General notable almacenamiento asociado, que hace que su cantidad y calidad
estén menos afectadas por la variabilidad de la pluviometría, y sean reservas de
gran valor estratégico en sequías y situaciones de emergencia
• Regularidad de su composición química, radioquímica, biológica y de
temperatura, así como ausencia de turbidez si las captaciones están bien
construidas
• Mayor protección temporal frente a procesos contaminantes accidentales, lo que
proporciona la posibilidad de continuar disponiendo de agua adecuada durante
un periodo extendido de tiempo, mientras se adoptan las medidas paliativas y
correctoras necesarias
• Frecuente disponibilidad en el lugar o cerca de donde se produce la demanda,
con elementos de captación y transporte que suponen inversiones normalmente
moderadas y graduales frente a las de las grandes obras de regulación,
captación y tratamiento de aguas superficiales
• Menor dependencia en cuanto a calidad y cantidad de acciones exteriores de
carácter catastrófico o provocadas intencionadamente o a causa de un conflicto
• Menor dependencia de procesos tecnológicos complejos, que están sujetos a
fallos de funcionamiento y diseño, y a errores humanos de operación
• Reconocimiento, evaluación y control con frecuencia más seguros y sencillos, y
que requieren menor longitud de series de datos de base, aunque para llegar a
propuestas preliminares aparentemente se requiera un mayor tiempo y esfuerzo
de estudio, personal experto y superar un conjunto de deformaciones y
prejuicios en el conocimiento popular, que alcanza con frecuencia a las personas
con responsabilidades en las administraciones y órganos de gestión
• Relativa fácil predicción del comportamiento ante escenarios diversos de
acciones futuras, dado el gran almacén asociado; para las aguas superficiales
esa predicción tiene mayor incertidumbre al ser muy sensibles y no conocerse
previamente la aportación pluviométrica futura
•
Gestión más local, sin las restricciones y conflictos de organización e
institucionales frecuentes en las grandes entidades
Naturalmente, la utilización de las aguas subterráneas como fuente de suministro
también tiene inconvenientes, aun cuando frecuentemente no se trata de efectos
negativos propiamente dichos sino que son consecuencias conocidas y previsibles
asociadas a la naturaleza de los acuíferos y de la propia explotación. A menudo, estos
efectos desfavorables son el resultado de expectativas, previsiones o evaluaciones
incorrectas y sesgadas derivadas del desconocimiento del comportamiento de las aguas
subterráneas o de indebidas extrapolaciones de lo que se observa en los sistemas de
aguas superficiales (Custodio, 1995).
Entre estas desventajas se pueden mencionar las relacionadas con descensos de
niveles debidos a fuertes explotaciones, singularmente importantes en los acuíferos
costeros con riesgo de salinización, con cambios en la calidad y en la salinidad del agua,
con problemas asociados a la gestión y administración de los recursos, incluyendo
aspectos económicos y legislativos, e incluso con problemas de carácter social y
cultural.
Frente a estas problemas se hace necesario profundizar en el conocimiento de las aguas
subterráneas para alcanzar modelos sostenibles de explotación, que permitan establecer
mecanismos de protección y control.
CONCEPTO DE HIDROGEOLOGÍA
La definición más simple de Hidrogeología sería la ciencia que se ocupa del estudio de
las aguas subterráneas. Aunque el objeto de la ciencia queda así perfectamente definido,
parece conveniente añadir más detalles que establezcan al menos las grandes líneas de
actuación y, sobre todo, que realcen el carácter multidisciplinar que hoy en día tiene la
Hidrogeología.
En numerosos textos se recogen definiciones más o menos parecidas pero con
matizaciones que, en algunos casos, son notables. A continuación, se transcriben
algunas de ellas:
• Davis y de Wiest (1971): La Hidrogeología estudia las aguas subterráneas, cuyo
énfasis especial recae sobre su aspecto químico, circulación y circunstancias
geológicas condicionantes.
• Castany y Margat (1977): Science des eaux souterraines, comprise dans les
sciences de la Terre; connaissance des conditions géologiques et
hydrogeologiques et des lois physiques qui régissent l'origine, la présence, les
mouvements et les propiétés des eaux souterraines. Applications de ses
connaissances aux actions humaines sur les eaux souterraines, notamment à
leur prospection, à leur captage et à leur protection.
• Freeze y Cherry (1979). We see a science that is emerging from its geological
roots and its early hydraulic applications into a full-fledged
• Castany (1982): L´hydrogélogie, dont base fondamentale est la géologie, est une
science pluridisciplinaire utilisant les méthodes et moyes de la prospection
géophysique, des techniques de forage et de captage, de la géochimie des
roches et des eaux, de l'hydrodynamique souterraine, de la statistique et de
l'emploi des ordinateurs au traitement des données et aux modèles
mathématiques
• Custodio y Llamas (1983): La Hidrología subterránea es aquella parte de la
Hidrología que corresponde al almacenamiento y circulación y distribución de las
aguas terrestres en la zona saturada de las formaciones geológicas, teniendo en
cuenta sus propiedades físicas y químicas, sus interacciones con el medio físico
y biológico y sus reacciones a la acción del hombre
• Domenico y Schwartz (1990): Hydrogeology is the study of the laws governing
the movement of subterranean water, the mechanical, chemical and thermal
interaction of this water with the porous solid, and the transport of energy and
chemical constituents by the flow
• Fetter (2001): Hydrology is the study of water. In the broadest sense, hydrology
addresses the occurrence, distribution, movement and chemistry of all waters ot
the earth. Hydrogeology emcompasses the interrelationships of geologic
materials and processes with water
• Deming (2002): Hydrology is the study of terrestrial waters. Hydrogeology is the
branch of hydrology that studies underground fluids and their interaction with
solid geologic materials
De estas definiciones se pueden extraer los aspectos más importantes que
necesariamente deben estar recogidos, explícita o implícitamente, en lo que podría ser
un definición amplia y detallada de Hidrogelogía:
• el agua subterránea como elemento geológico, incluso en profundidad
• conocimiento de las leyes físicas que rigen su movimiento
• conocimiento de las interacciones químicas con el medio
• transporte de masas y transporte de energía
• tratamiento de datos
• hidrogeología como ciencia pluridisciplinar
• gestión del agua
• aplicación de los conocimientos a las acciones humanas
RELACIÓN DE LA HIDROGEOLOGÍA CON OTRAS CIENCIAS Y TÉCNICAS
En primer lugar, conviene hacer énfasis en la condición de ciencia geológica de la
Hidrogeología, en el doble sentido de que son los materiales geológicos los que
albergan agua (acuíferos) y de que el agua es un agente geodinámico que modela
externa e internamente los materiales. Por consiguiente, la Hidrogeología debe ser
ubicada en el amplio contexto de Ciencias de la Tierra.
La Climatología y la Meteorología se ocupan, entre otras cosas, del estudio de las
precipitaciones, de su variabilidad espacial y temporal, de los factores que condicionan
la evaporación y la evapotranspiración y, por consiguiente, de los mecanismos
esenciales que controlan la posibilidad de la recarga natural.
La Edafología y la Geomorfología, como ciencias que estudian básicamente las capas
superficiales ("la epidermis de la tierra", según Tricart) se ocupan de aspectos
relevantes en el comportamiento del agua en el suelo, tanto en sus relaciones con la
atmósfera como en la percolación profunda.
Para el estudio del soporte físico de los acuíferos el auxilio de disciplinas como Geología
Estructural, Petrología, Estratigrafia, Sedimentología y Geoquímica es imprescindible.
Desde el punto de vista de los recursos hídricos, de su cuantificación y gestión, la
Hidrogeología tiene una íntima relación con la Hidrología, en el sentido concreto de
ciencia que se ocupa del estudio de las aguas superficiales. Para algunos autores, la
Hidrogeología es una rama (Hidrología subterránea) del concepto más amplio de la
Hidrología.
La Hidráulica y la Mecánica de Fluidos proporcionan la base para comprender y
cuantificar el flujo subterráneo.
Mención especial requiere la relación con las Ciencias Químicas y Biológicas, por cuanto
la evolución de la calidad del agua y su afección por procesos contaminantes está
principalmente regida por procesos químicos y biológicos. La Química Analítica, en
tanto que herramienta, es sin duda la disciplina que guarda mayor relación con la
Hidrogeología, pero también la Química Inorgánica, Química Orgánica y Química Física
son necesarias para explicar el comportamiento de las sustancias disueltas en agua.
En cuanto a las Matemáticas, tienen una notable aplicación en la resolución de
problemas concretos, tanto como herramienta en los modelos matemáticos de
simulación del flujo, como en los de transporte de sustancias químicas en disolución; de
forma muy especial la Estadística y la Investigación Operativa abren nuevas
perspectivas de desarrollo de la Hidrogeología, en especial en los dominios de la
Planificación y Gestión.
La relación de la Hidrogeología con otras ramas de las Ciencias Geológicas, tales como
Yacimientos Minerales y Mineralogénesis resulta muy estrecha en determinados casos,
pero en esta ocasión es la Hidrogeología la que aporta su contribución a la explicación
de la génesis de muy diferentes tipos de concentraciones minerales.
En el dominio de las Ciencias Ambientales la Hidrogeología se relaciona con la Ecología,
Botánica, Zoología, Ordenación Territorial, etc; es un aspecto clave a tratar en la mayoría
de los estudios de Evaluación del Impacto Ambiental, técnica cada vez más utilizada.
Existen muchos otros aspectos que el hidrogeólogo debe conocer para completar su
formación, aunque no están muy relacionados con la Hidrología en su sentido más
estricto, como son, por ejemplo, la Legislación y la Economía.
En el dominio de las Técnicas Auxiliares caben destacar dos grandes grupos, que son
básicos al hidrogeólogo; se trata de las principales técnicas de Prospección Geofísica,
de forma muy especial los métodos eléctricos y sísmicos; y todas las técnicas
relacionadas con la realización de sondeos mecánicos y su terminación. Cabe
igualmente señalar el notable complemento que aporta la Fotointerpretación y el empleo
de los Sensores Remotos. Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) han invadido
igualmente el dominio del Agua, como una puerta abierta a un futuro de potencialidad
insospechada . Es necesario señalar, por último, que la Hidrogeología es un
complemento básico en Geotecnia y en Ingeniería Civil; es bien conocido que las
posibles soluciones técnicas son muy diferentes cuando está presente el agua; ignorar
esto puede traer consigo graves consecuencias.
DESARROLLO HISTORICO
Una de las primeras referencias conocidas al ciclo del agua pertenece al rey Salomón,
que dijo: "Todas las aguas van al mar y sin embargo no lo llenan".
Las aguas subterráneas están cargadas de mitología y un cierto halo misterioso y hasta
hoy ha llegado una falsa imagen de la circulación de aguas subterráneas, debido a que
lo único visible son las cuevas kársticas, excepciones a la regla general de circulación.
Probablemente sea Leonardo da Vinci quien define por primera vez el ciclo del agua y
los conceptos de porosidad y permabilidad.
Había dos ideas equivocadas que dificultaban la comprensión del ciclo: que la lluvia no
es suficiente para dar origen a todas las aguas subterráneas, y que la superficie terrestre
era prácticamente impermeable. En el siglo XVIII, Perrault, Mariotte y Halley demostraron
de forma empírica que estas ideas eran falsas. Perrualt midió la precipitación y el caudal
en el área del nacimiento del río Sena y demostró que el cauce era seis veces menor que
el necesario para conducir toda la precipitación de la cuenca. Mariotte, también en el
Sena, a su paso por Paris, con medidas similares concluyó que el caudal del río era sólo
la octava parte de la cantidad de precipitación medida en la cuenca, y también hizo
mediciones experimentales de infiltración. Halley se dedicó a estudiar la evaporación y
concluyó que la evaporación del mar Mediterránea era muy similar al aporte de los ríos,
con lo que se cerraba el ciclo.
Ya en el siglo XIX se hizo más experimentación y los conocimientos sobre hidráulica
mejoraron la comprensión de las leyes físicas que rigen la circulación del agua
subterránea. Bernouilli enunció su teorema y, en 1856, Darcy formuló su ley, que es la
base de la actual hidrogeología.
Por último, la aplicación de la informática y sistemas de cálculo son el último impulso de
la Hidrogeología.
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