Acuífero

Los acuíferos se encuentran desde cerca de la superficie hasta a más de 9000 metros (30 000 pies) de profundidad . ^{[ 3 ]} Los que están más cerca de la superficie no solo tienen más probabilidades de usarse para el suministro de agua y el riego, sino que también tienen más probabilidades de recargarse con las precipitaciones locales. ^{[ 4 ]} Aunque a veces se describe a los acuíferos como "ríos o lagos subterráneos", en realidad son rocas porosas saturadas de agua. ^{[ 5 ]} 

Muchas zonas desérticas poseen colinas o montañas calizas , tanto en su interior como en sus proximidades, que pueden aprovecharse como recursos hídricos subterráneos. ^{[ 6 ]} Parte de la cordillera del Atlas en el norte de África, las sierras del Líbano y el Antilíbano entre Siria y el Líbano, el Jebel Akhdar en Omán, partes de la Sierra Nevada y las cordilleras vecinas en el suroeste de Estados Unidos , cuentan con acuíferos poco profundos que se explotan para obtener agua. La sobreexplotación puede llevar a superar el rendimiento sostenible práctico; es decir, se extrae más agua de la que se puede reponer.

A lo largo de las costas de ciertos países, como Libia e Israel , el aumento del uso del agua asociado al crecimiento demográfico ha provocado un descenso del nivel freático y la consiguiente contaminación de las aguas subterráneas con agua salada procedente del mar. ^{[ 7 ]}

En 2013 se descubrieron grandes acuíferos con agua subterránea salobre de baja salinidad bajo las plataformas continentales de Australia, China, Norteamérica y Sudáfrica. Contienen aproximadamente medio millón de kilómetros cúbicos de agua de baja salinidad que podría procesarse económicamente para obtener agua potable . Estas reservas se formaron cuando el nivel del mar era más bajo y el agua de lluvia se filtraba en el subsuelo en zonas terrestres que no estuvieron sumergidas hasta el final de la era glacial hace 20 000 años. Se estima que el volumen es 100 veces mayor que la cantidad de agua extraída de otros acuíferos desde 1900. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

El agua subterránea se puede encontrar en casi cualquier punto del subsuelo superficial de la Tierra en mayor o menor medida, aunque los acuíferos no necesariamente contienen agua dulce . La corteza terrestre se puede dividir en dos regiones: la zona saturada o freática ( por ejemplo, acuíferos, acuitardos, etc.), donde todos los espacios disponibles están llenos de agua, y la zona no saturada (también llamada zona vadosa ), donde todavía existen bolsas de aire que contienen algo de agua, pero que pueden llenarse con más agua.

Saturado significa que la presión hidrostática del agua es mayor que la presión atmosférica (tiene una presión manométrica > 0). El nivel freático se define como la superficie donde la presión hidrostática es igual a la presión atmosférica (donde la presión manométrica = 0).

Las condiciones de insaturación se dan por encima del nivel freático, donde la carga de presión es negativa (la presión absoluta nunca puede ser negativa, pero la presión manométrica sí) y el agua que llena parcialmente los poros del material del acuífero está bajo succión . El contenido de agua en la zona de insaturación se mantiene en su lugar por fuerzas adhesivas superficiales y asciende por encima del nivel freático (la isobara de presión manométrica cero ) por acción capilar para saturar una pequeña zona por encima de la superficie freática (la franja capilar ) a una presión inferior a la atmosférica. Esto se denomina saturación por tensión y no es lo mismo que la saturación en función del contenido de agua. El contenido de agua en una franja capilar disminuye con la distancia a la superficie freática. La carga capilar depende del tamaño de los poros del suelo. En suelos arenosos con poros más grandes, la carga será menor que en suelos arcillosos con poros muy pequeños. La elevación capilar normal en un suelo arcilloso es menor de 1,8 m (6 pies) , pero puede variar entre 0,3 y 10 m (1 y 33 pies) . ^{[ 11 ]}    

El ascenso capilar del agua en un tubo de pequeño diámetro implica el mismo proceso físico. El nivel freático es el nivel hasta el cual el agua subirá en una tubería de gran diámetro (por ejemplo, un pozo) que desciende hasta el acuífero y está expuesta a la atmósfera.

Los acuíferos son típicamente regiones saturadas del subsuelo que producen una cantidad de agua económicamente viable para un pozo o manantial (por ejemplo, la arena y la grava o la roca madre fracturada suelen ser buenos materiales para los acuíferos).

Un acuitardo es una zona dentro de la Tierra que restringe el flujo de agua subterránea de un acuífero a otro. ^{[ 12 ]} Un acuitardo completamente impermeable se llama acuicludo o acuífugo . Los acuitardos contienen capas de arcilla o roca no porosa con baja conductividad hidráulica .

En las zonas montañosas, especialmente cerca de los ríos, los principales acuíferos suelen ser aluviones no consolidados , es decir, capas horizontales de materiales depositados por procesos hídricos como ríos y arroyos. En sección transversal, se presentan como capas alternas de materiales gruesos y finos. Los materiales gruesos, debido a la alta energía necesaria para su desplazamiento, tienden a encontrarse más cerca de su origen, como las laderas de las montañas o los ríos, mientras que los materiales finos se desplazan más lejos, hacia las zonas más llanas de la cuenca o las áreas de inundación, a veces denominadas zonas de presión. Dado que hay menos depósitos de grano fino cerca del origen, estos acuíferos, también conocidos como zonas de antepaís, suelen ser libres o estar en comunicación hidráulica con la superficie terrestre.

Un acuífero libre no tiene una barrera impermeable inmediatamente por encima, de modo que el nivel del agua puede subir en respuesta a la recarga. Un acuífero confinado tiene una barrera impermeable suprayacente que impide que el nivel del agua en el acuífero suba más. Un acuífero en la misma unidad geológica puede estar confinado en una zona y libre en otra. Los acuíferos libres también se denominan a veces acuíferos freáticos o de nivel freático , porque su límite superior es el nivel freático (véase Acuífero de Biscayne ). Normalmente (aunque no siempre), el acuífero menos profundo en una ubicación determinada es libre, lo que significa que no tiene una capa confinante (un acuitardo o acuicludo) entre él y la superficie. El término "colgado" se refiere al agua subterránea que se acumula por encima de una unidad o estrato de baja permeabilidad, como una capa de arcilla. Este término se usa generalmente para referirse a una pequeña área local de agua subterránea que se encuentra a una elevación mayor que la de un acuífero de extensión regional. La diferencia entre acuíferos suspendidos y no suspendidos radica en su tamaño (los suspendidos son más pequeños). Los acuíferos suspendidos son aquellos que están cubiertos por una capa confinante, generalmente compuesta de arcilla. Esta capa puede ofrecer cierta protección contra la contaminación superficial.

Si la distinción entre acuíferos confinados y no confinados no es clara desde el punto de vista geológico (es decir, si se desconoce si existe una capa confinante clara o si la geología es más compleja, por ejemplo, un acuífero de roca madre fracturada), el valor de la capacidad de almacenamiento obtenido de una prueba de acuífero puede utilizarse para determinarla (aunque las pruebas de acuífero en acuíferos no confinados deben interpretarse de forma diferente a las de los acuíferos confinados). Los acuíferos confinados tienen valores de capacidad de almacenamiento muy bajos (mucho menores que 0,01, e incluso tan bajos como 10) .⁻⁵ ), lo que significa que el acuífero está almacenando agua utilizando los mecanismos de expansión de la matriz del acuífero y la compresibilidad del agua, que normalmente son cantidades bastante pequeñas. Los acuíferos libres tienen capacidades de almacenamiento (normalmente llamadas rendimiento específico ) mayores de 0,01 (1 % del volumen total); liberan agua del almacenamiento mediante el mecanismo de drenaje real de los poros del acuífero, liberando cantidades relativamente grandes de agua (hasta la porosidad drenable del material del acuífero, o el contenido volumétrico mínimo de agua ).

En acuíferos isotrópicos o capas de acuíferos, la conductividad hidráulica (K) es igual para el flujo en todas las direcciones, mientras que en condiciones anisotrópicas difiere, especialmente en sentido horizontal (Kh) y vertical (Kv).

Los acuíferos semiconfinados con uno o más acuitardos funcionan como un sistema anisotrópico, incluso cuando las capas separadas son isotrópicas, porque los valores compuestos de Kh y Kv son diferentes (véase transmisividad hidráulica y resistencia hidráulica ).

Al calcular el flujo hacia los desagües ^{[ 13 ]} o el flujo hacia los pozos ^{[ 14 ]} en un acuífero, se debe tener en cuenta la anisotropía para evitar que el diseño resultante del sistema de drenaje sea defectuoso.

Para gestionar adecuadamente un acuífero, es necesario comprender sus propiedades. Se deben conocer muchas propiedades para predecir cómo responderá un acuífero a las precipitaciones, la sequía, el bombeo y la contaminación . Entre las consideraciones se incluyen dónde y cuánta agua ingresa al agua subterránea por la lluvia y el deshielo, con qué velocidad y en qué dirección viaja el agua subterránea, y cuánta agua sale del suelo en forma de manantiales. Se pueden utilizar modelos informáticos para comprobar con qué precisión la comprensión de las propiedades del acuífero coincide con el rendimiento real del mismo. ^{[ 15 ] : 192–193, 233–237} Las regulaciones ambientales exigen que los sitios con posibles fuentes de contaminación demuestren que se ha caracterizado la hidrología . ^{[ 15 ] : 3}

Poroso

Los acuíferos porosos suelen encontrarse en arena y arenisca . Sus propiedades dependen del ambiente sedimentario de deposición y de la posterior cementación natural de los granos de arena. El ambiente donde se depositó un cuerpo de arena controla la orientación de los granos, las variaciones horizontales y verticales, y la distribución de las capas de lutita. Incluso las capas delgadas de lutita constituyen importantes barreras para el flujo de agua subterránea. Todos estos factores afectan la porosidad y la permeabilidad de los acuíferos arenosos. ^{[ 16 ] : 413}

Los depósitos arenosos formados en ambientes marinos poco profundos y en ambientes de dunas de arena arrastradas por el viento tienen una permeabilidad de moderada a alta, mientras que los depósitos arenosos formados en ambientes fluviales tienen una permeabilidad de baja a moderada. ^{[ 16 ] : 418} La lluvia y el deshielo ingresan al agua subterránea donde el acuífero está cerca de la superficie. Las direcciones del flujo de agua subterránea se pueden determinar a partir de mapas de superficie potenciométricos de los niveles de agua en pozos y manantiales. Las pruebas de acuíferos y las pruebas de pozos se pueden utilizar con las ecuaciones de flujo de la ley de Darcy para determinar la capacidad de un acuífero poroso para transportar agua. ^{[ 15 ] : 177–184}

Analizar este tipo de información en un área da una indicación de cuánta agua se puede bombear sin sobreexplotación y cómo se propagará la contaminación. ^{[ 15 ] : 233} En acuíferos porosos, el agua subterránea fluye como una filtración lenta en los poros entre los granos de arena. Una tasa de flujo de agua subterránea de 1 pie por día (0,3 m/d) se considera una tasa alta para acuíferos porosos, ^{[ 17 ]} como lo ilustra el agua que se filtra lentamente de la arenisca en la imagen adjunta a la izquierda.

La porosidad es importante, pero por sí sola no determina la capacidad de una roca para funcionar como acuífero. Las zonas de las Trampas del Decán , una formación de lava basáltica en el centro-oeste de la India, son ejemplos de formaciones rocosas con alta porosidad pero baja permeabilidad, lo que las convierte en acuíferos deficientes. De manera similar, el Grupo de Caliza microporosa ( Cretácico Superior ) del sureste de Inglaterra, aunque posee una porosidad razonablemente alta, tiene una baja permeabilidad entre granos, y sus buenas características de producción de agua se deben principalmente a la microfracturación y fisuración.

Karst

Los acuíferos kársticos suelen desarrollarse en piedra caliza . El agua superficial, que contiene ácido carbónico natural , se filtra a través de pequeñas fisuras en la piedra caliza. Este ácido carbónico disuelve gradualmente la piedra caliza, agrandando así las fisuras. Las fisuras agrandadas permiten la entrada de una mayor cantidad de agua, lo que provoca un ensanchamiento progresivo de las aberturas. La abundancia de pequeñas aberturas almacena una gran cantidad de agua. Las aberturas más grandes forman un sistema de conductos que drena el acuífero hacia los manantiales. ^{[ 18 ]}

La caracterización de los acuíferos kársticos requiere exploración de campo para localizar sumideros, remolinos , arroyos que se hunden y manantiales , además del estudio de mapas geológicos . ^{[ 19 ] : 4} Los métodos hidrogeológicos convencionales, como las pruebas de acuíferos y el mapeo potenciométrico, son insuficientes para caracterizar la complejidad de los acuíferos kársticos. Estos métodos de investigación convencionales deben complementarse con trazadores de colorantes , medición de descargas de manantiales y análisis de la química del agua. ^{[ 20 ]} El trazador de colorantes del Servicio Geológico de los Estados Unidos ha determinado que los modelos convencionales de aguas subterráneas que asumen una distribución uniforme de la porosidad no son aplicables a los acuíferos kársticos. ^{[ 21 ]}

La alineación lineal de las características superficiales, como segmentos rectos de arroyos y sumideros, se desarrolla a lo largo de trazas de fractura . Ubicar un pozo en una traza de fractura o intersección de trazas de fractura aumenta la probabilidad de encontrar una buena producción de agua. ^{[ 22 ]} Los huecos en los acuíferos kársticos pueden ser lo suficientemente grandes como para causar un colapso destructivo o subsidencia de la superficie del terreno que puede iniciar una liberación catastrófica de contaminantes. ^{[ 15 ] : 3–4} La tasa de flujo de agua subterránea en los acuíferos kársticos es mucho más rápida que en los acuíferos porosos, como se muestra en la imagen adjunta a la izquierda. Por ejemplo, en el acuífero Barton Springs Edwards, las trazas de tinte midieron las tasas de flujo de agua subterránea kárstica de 0,5 a 7 millas por día (0,8 a 11,3  km/d). ^{[ 23 ]} Las rápidas tasas de flujo de agua subterránea hacen que los acuíferos kársticos sean mucho más sensibles a la contaminación del agua subterránea que los acuíferos porosos. ^{[ 19 ] : 1}

En casos extremos, puede existir agua subterránea en ríos subterráneos (por ejemplo, en cuevas situadas bajo relieves kársticos ).

Fracturado

Si una unidad rocosa de baja porosidad está muy fracturada, también puede constituir un buen acuífero (a través del flujo fisural ), siempre que la roca tenga una conductividad hidráulica suficiente para facilitar el movimiento del agua.

El agotamiento de los acuíferos es un problema en algunas zonas, especialmente en el norte de África , donde un ejemplo de ello es el proyecto del Gran Río Artificial de Libia . Sin embargo, los nuevos métodos de gestión de aguas subterráneas, como la recarga artificial y la inyección de aguas superficiales durante los periodos de lluvias estacionales, han prolongado la vida útil de muchos acuíferos de agua dulce, sobre todo en Estados Unidos.

La Gran Cuenca Artesiana, situada en Australia, es posiblemente el acuífero subterráneo más grande del mundo (más de 1,7 millones ^de km² o 0,66 millones de millas cuadradas ). ^{[ 27 ]} Desempeña un papel importante en el suministro de agua para Queensland , algunas zonas remotas de Australia Meridional y la mayor parte del Territorio del Norte . ^{[ 28 ]}     

Los cuerpos de arena discontinuos en la base de la Formación McMurray en la región de las arenas bituminosas de Athabasca, en el noreste de Alberta , Canadá, se conocen comúnmente como acuíferos de arena de agua basal (BWS) . ^{[ 29 ]} Saturados de agua, se encuentran confinados bajo arenas impermeables saturadas de betún que se explotan para recuperar betún para la producción de petróleo crudo sintético . Donde son profundos y la recarga proviene de formaciones devónicas subyacentes , son salinos, y donde son superficiales y se recargan con agua superficial , no son salinos. Los BWS suelen presentar problemas para la recuperación de betún, ya sea mediante minería a cielo abierto o mediante métodos in situ como el drenaje por gravedad asistido por vapor (SAGD), y en algunas áreas son objetivos para la inyección de aguas residuales. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

El acuífero guaraní , ubicado bajo la superficie de Argentina , Brasil , Paraguay y Uruguay , es uno de los sistemas acuíferos más grandes del mundo y una importante fuente de agua dulce . ^{[ 33 ]} Nombrado en honor al pueblo guaraní , cubre 1.200.000 km² (460.000 ^millas cuadradas ) , con un volumen de aproximadamente 40.000 km³ (9.600 millas cúbicas ) , un espesor de entre 50 y 800 m (160 y 2.620 pies) y una profundidad máxima de aproximadamente 1.800 ^m (5.900 pies) .          

El acuífero de Ogallala, en el centro de Estados Unidos, es uno de los acuíferos más grandes del mundo, pero en algunos lugares se está agotando rápidamente debido al creciente uso municipal y al uso agrícola continuo. ^{[ 34 ]} Este enorme acuífero, que se extiende por partes de ocho estados, contiene principalmente agua fósil de la época de la última glaciación . Se estima que la recarga anual, en las zonas más áridas del acuífero, representa solo alrededor del 10 por ciento de las extracciones anuales. Según un informe de 2013 del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), el agotamiento entre 2001 y 2008, ambos inclusive, es de aproximadamente el 32 por ciento del agotamiento acumulado durante todo el siglo XX. ^{[ 35 ]}

En Estados Unidos, los mayores consumidores de agua de los acuíferos son el riego agrícola y la extracción de petróleo y carbón. ^{[ 36 ]} " El agotamiento total acumulado de las aguas subterráneas en Estados Unidos se aceleró a finales de la década de 1940 y continuó a un ritmo lineal casi constante hasta finales de siglo. Además de las consecuencias ambientales ampliamente reconocidas, el agotamiento de las aguas subterráneas también afecta negativamente la sostenibilidad a largo plazo de los suministros de agua subterránea para ayudar a satisfacer las necesidades hídricas de la nación." ^{[ 35 ]}

Un ejemplo de acuífero carbonatado significativo y sostenible es el acuífero Edwards ^{[ 37 ]} en el centro de Texas . Este acuífero ha proporcionado históricamente agua de alta calidad a casi 2 millones de personas, e incluso hoy en día se encuentra lleno gracias a la enorme recarga proveniente de numerosos arroyos, ríos y lagos de la zona . El principal riesgo para este recurso es el desarrollo humano sobre las áreas de recarga.