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Hidro f01 Hidro f01 Document Transcript

  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 1 APUNTES DE HIDROGEOLOGÍA Tema 1 Profesor: Fermín Villarroya Gil Departamento de Geodinámica Facultad de Ciencias Geológicas Universidad Complutense Madrid Año 2006
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 2 n TEMA 1. INTRODUCCIÓN. Las aguas subterráneas en el ciclohidrológico. Recursos y reservas de agua. Importancia de las aguas subterráneas en España.1.- SINGULARIDADES DE LA DISTRIBUCIÓN DEL AGUAEN LA HIDROSFERALa tabla nº 1 muestra la distribución del agua en la Hidrosfera. Es dedestacar las cifras que aparecen en la cuarta columna. En ella destaca lagran cantidad de agua almacenada en los océanos (el 97,6% del total),si bien, lógicamente, es agua salada. El agua existente en loscontinentes (el 2,4% restante) casi toda es sólida (y conviene que losiga siendo: nótese que si se fundiesen los hielos glaciares y loscasquetes, la altura a la que subiría el mar sería de 50 m). Por lo tantola mayor parte del agua líquida dulce disponible está contenida en losacuíferos (0,5% del total). Si comparamos esta cifra con la relativa a losríos (0,0001%) se comprenderá el importante valor estratégico que parala humanidad tiene el preservar los recursos hídricos subterráneos,tanto en cantidad como en calidad.
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 3 Otro hecho notable estriba en el tiempo de renovación o residenciadel agua (columna 5). De nuevo hay fuertes contrastes entre las aguassuperficiales y las subterráneas pues mientras en las primeras el tiempode residencia es de 15-20 días, en las subterráneas se cuenta pordecenas y miles de años. El tiempo de residencia medio en losacuíferos, a escala mundial es de 280 años, pero hay acuíferos con500.000 años y más de tiempo de residencia. Esto marca un diferentecarácter y señala dos formas distintas de concebir la gestión de lasaguas superficiales y subterráneas. Por ejemplo si se diera el caso deuna contaminación, las aguas superficiales podrían fácilmentecorregirse con tal de localizar y eliminar las fuentes contaminantes. Noasí en el caso de contaminación de un acuífero, que una vez eliminado
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 4el foco contaminante, tardaría de forma natural muchos años (decenasa cientos o miles de años incluso) en desaparecer la contaminación. El largo tiempo de residencia en las aguas subterráneas significa que latasa de recarga procedente de las lluvias es muy pequeña. Al ser larecarga anual escasa en comparación con el gran volumen de agua quealmacena normalmente un acuífero, si no hubiese lluvia por algunosaños, los acuíferos profundos prácticamente no lo acusarían. Ellosignoran las sequías. Por lo tanto los acuíferos son recursos confiables,efectivamente inmunes a las fluctuaciones anuales de lasprecipitaciones e incluso a largos períodos de sequía.De la tabla se desprende la tasa de evaporación del agua del mar o deun lago: a partir de los espesores (columna de altura equivalente en latabla) y el tiempo de residencia, se calcula una tasa de evaporaciónpróxima a un metro/año. Esto nos conduce a plantear el supuestosiguiente: dado que el agua del mar se renueva por el ciclo hidrológico,teóricamente no cabría esperar aguas del mar más antiguas de 3 000 o 4000 años (salvo circunstancias locales). Otra cosa bien diferente es laantigüedad de las cuencas oceánicas que albergan esas aguas y que sonde decenas a centenares de millones de años de antigüedad.Finalmente, entre otros hechos dignos de destacar, cabría cuestionarsesobre los abastecimientos procedentes de embalses de agua superficial.Agua, que a la luz de la tabla, supone un recurso muy pequeño (tansolo el 0,0001% del total de la hidrosfera) a la vez que efímero (15-20días de tiempo de renovación).2.- LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS EN EL CONTEXTO DELCICLO HIDROLÓGICO. MEDICIÓN Y ORDEN DEMAGNITUD DE LOS COMPONENTESLos componentes que forman el ciclo del agua son: precipitación (P),evapotranspiración (ETR), escorrentía directa (ED) y escorrentíasubterránea (EB) o básica, relacionados según la expresión:
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 5 P= ETR+ED+EBSe sobreentiende que ello se aplica en una cuenca hidrográfica losuficientemente grande para que tales integrantes muestren unascaracterísticas o comportamiento que es la media o el reflejo de lo quede modo natural o espontáneo está ocurriendo en la región. Para tenercorrectamente controlado los componentes del ciclo del agua, deberíaser una cuenca lo suficientemente grande y representativa de la región.Además se debería disponer de una larga serie ininterrumpida deregistros de tales factores durante un largo tiempo (cuanto más mejor,si bien 30 años se considera como un mínimo suficientementerepresentativo, a efectos estadísticos). Se supone que el balance deentradas y salidas dentro de la cuenca analizada está equilibrado por loque no hay variación (ni aumento ni vaciado) en el almacenamiento.Por otra parte sería un error considerar una cuenca hidrográfica comouna superficie del territorio. Más bien es una porción tridimensionaldel territorio que se extiende también por lo tanto en profundidadabarcando las aguas subterráneas.La precipitación (P) es la caída gravitacional del agua líquida ó enforma sólida (nieve y granizo), contenida en la atmósfera. Tambiéncomprende la condensación y el rocío (escarcha, si se efectúa pordebajo de cero grados). La precipitación media en la España peninsulares de 684 mm/año si bien con grandes variaciones de unas cuencas aotras. España cuenta con unas 5 000 estaciones meteorológicas a partirde cuyos registros se obtiene por la media aritmética, o por métodosde reparto geográfico (polígonos de Thiessen y método de las isoyetas),la precipitación ocurrida en una cuenca. Por ejemplo en Madrid laprecipitación media anualen el Retiro es de 430 mm ó L/m2. Dichocon otras palabras: en la ciudad de Madrid si el terreno fuera plano eimpermeable al cabo de un año habría una lámina continua de agua deun espesor de 430 mm. Un mm de precipitación indica la altura quealcanza un litro de agua derramado sobre una superficie de un m2.Equivale a una precipitación de 10 m3 por ha.
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 6Las estaciones más antiguas de España son San Fernando (Cádiz) y elRetiro (Madrid) que cuentan con registros desde 1805 y 1841,respectivamente.La ETR comprende conjuntamente la evaporación y la transpiraciónproducidas por la cubierta vegetal. Es un término prolijo de cuantificary en cierta medida aleatorio (depende por ejemplo de la contingenciade que se produzcan incendios, plagas, cambios del tipo de cultivo,cambios en el número de cabezas de la cabaña, etc.). Por lo tanto sibien hay métodos para su cuantificación (lisímetros, fórmulasexperimentales, balance de agua en el suelo, etc.), normalmente es untérmino que se obtiene despejándolo de la ecuación del balance delagua: ETR=P-ED-EBEsta expresión suele denominarse "déficit de escorrentía" puestoque representa el volumen de agua que no llega a pasar por la estaciónde aforo de un río debido precisamente a su eliminación por laevapotranspiración.La ED (escorrentía directa) representa el agua que, movilizada por lagravedad, se resuelve en pequeños hilos y canales de agua quefinalmente convergen en los canales principales (caños o brazos deagua, coloquialmente llamados ríos) y así llegan hasta el mar, o a algúnlago interior.La EB (escorrentía básica) representa la contribución de losacuíferos al volumen de agua que desplazan los ríos. Por ello recibetambién el nombre de escorrentía subterránea. En algunos casossupone más del 50% del total de agua aportado por un río a su pasopor un determinado punto de la cuenca. Tal contribución se materializamediante los manantiales o por la conexión directa de los acuíferos conlos cauces. Por lo tanto ambas escorrentías (ED+ED) forman parte delagua que llevan los "ríos" y que se miden en unas instalaciones
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 7especiales denominadas estaciones de aforo, cuyo funcionamientoqueda fuera de los objetivos de estos apuntes. El volumen de agua que lleva un "río" a su paso por una estación deaforos al cabo de un determinado período de tiempo (normalmente unaño hidrológico: 1.º de octubre a 30 de septiembre del siguiente año)recibe el nombre de aportación y suele medirse en Mm3 (hm3) en lamayoría de los casos. La tabla 2 muestra los valores de las aportacionesde los principales ríos peninsulares. Mediante la curva de gastos delas estaciones de aforos se determina el caudal diario de la corrientefluvial. Los datos los suministra el Centro de Estudios Hidrográficos(Ministerio de Fomento). Con los datos diarios de caudal se dibuja unacurva que representa la distribución del caudal a lo largo del añohidrológico, denominada hidrograma (figura 1).Según se desprende del Libro Blanco del Agua en España losintegrantes del ciclo del agua se reparten en el suelo peninsular de lasiguiente manera: P= ETR+ED+EB 684 mm = 464 + 179 + 41 342 000 Mm3= 232 000 + 90 000 + 20 000 100% = 68% + 26% + 6%A destacar que la infiltración (ó escorrentía subterránea EB) estábastante anclada entre un 5-15% de la precipitación. En climas muylluviosos (como la cornisa cantábrica) la ETR desciende hastaporcentajes del 35% de la precipitación.
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 83.-ANÁLISIS Y DESCOMPOSICIÓN DE UN HIDROGRAMAEl hidrograma (fig.1), reproduce con fidelidad buena parte de loacontecido al ciclo del agua a lo largo de un año hidrológico. Elhidrograma comienza normalmente con muy bajos caudales(característicos del final del estío en un clima mediterráneo).Posteriormente, las lluvias otoñales o primaverales dan un tramo decurva del hidrograma en continuo crecimiento con un cierto decalajetemporal con respecto a la pluviometría. Tras alcanzar una cresta, elhidrograma muestra una curva de agotamiento si existe un largoperiodo de tiempo sin precipitaciones (como ciertamente ocurre en elclima mediterráneo de verano seco). La pendiente de la curva (o recta)de agotamiento es característica de cada cuenca hidrográfica y estácondicionada por la geometría y características de los acuíferosexistentes en la cuenca hidrográfica. La separación del hidrograma enED y EB puede efectuarse con más o menos precisión por una serie demétodos gráficos semicuantitativos que no son objeto de estosapuntes.Lo importante es que los acuíferos contribuyen, en muchos casos muysignificativamente, al caudal de agua que llevan los ríos. Dicho aportede agua es la escorrentía básica o subterránea (EB) y que por provenirde los acuíferos debe corresponder con el agua infiltrada en ellos porlas precipitaciones. Algunos autores hacen coincidir los recursosrenovables con estos volúmenes de agua. En definitiva la infiltración,llegaría a ser equivalente (grosso modo) a la escorrentía básica o a lasaguas renovables de una cuenca.En la tabla 2, se muestran valores del ciclo del agua en diversascuencas. La ETR supone un 75% de la precipitación, para los ríos de lavertiente mediterránea de la península. La Escorrentía básica (EB) (oinfiltración) suele estar próxima al 10% de la precipitación. Por lo tantosiguiendo con el ejemplo de Madrid antes aludido, cabe esperar que larecarga anual en el acuífero terciario detrítico de Madrid sea de 43L/m2, que es el 10% de la precipitación, en el parque del Retiro.
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 9Los datos climáticos (precipitación, temperatura y evapotranspiración)se consiguen en el Instituto Meteorológico Nacional (CiudadUniversitaria), mientras que los datos de aforo pueden solicitarse alCentro de Estudios Hidrográficos (Paseo bajo de la Virgen del Puerto)y en su defecto en las Confederaciones Hidrográficas (Avda. dePortugal, 81 para la CH del Tajo); además algunos organismosautonómicos disponen de datos propios de aforos.Año hidrológico, año meteorológico, año agrícola: el añohidrológico comprende desde el 1º de octubre al 30 deseptiembre del siguiente año, el año meteorológico suele
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 10considerarse desde el 1º de septiembre al 31 de agosto delsiguiente año, y año agrícola coincide con el hidrológico.Cuenca hidrográfica: territorio cuyas aguas de escorrentíaconvergen todas en un mismo río, lago o mar.Curva de gastos de un río. Gráfico experimental elaborado apartir de mediciones de caudal directas, realizadas en unaestación de aforos. Dan la relación entre espesor de la lámina deagua y el caudal. A partir de ellos de forma automatizada seobtienen los caudales diarios y por extensión mensuales yanuales.4.-BALANCE DE AGUA DE UNA CUENCAHIDROGRÁFICA Y DE UN ACUÍFERO El balance de agua se refiere al volumen de agua que entra en unacuífero procedente de diversas vías (infiltración a partir de laprecipitación, recarga a partir de ríos o de otros acuíferos, retornos deregadío, etc.), al cual hay que descontar las salidas víaevapotranspiración, bombeos, descarga a ríos u otros acuíferos, salidasal mar, etc.Se basa en el principio de conservación de la masa o Ley de Lavoisier:“la materia ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma".Puede escribirse: ENTRADAS-SALIDAS = ∆ en el almacenamiento.Para poder aplicar esta ecuación se requiere definir un lugar ydeterminar un periodo de tiempo concreto. En el balance referido alciclo del agua en una cuenca hidrográfica, actúa la precipitacióncomo entrada y las escorrentías (directa y básica) y laevapotranspiración real, como salidas.
  • Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 11Para periodos largos de tiempo y acuíferos suficientemente extensos(por ejemplo de centenares de km2) y no perturbados por la acciónantrópica, el balance final suele ser cero, o lo que es lo mismo lasentradas son iguales a las salidas y el acuífero, esencialmente, mantieneidéntico volumen de agua. Sin embargo en la mayor parte de lascuencas hidrográficas para realizar correctamente el balance, hay quetener en cuenta las extracciones (bombeos), derivaciones y trasvases deagua. En general hay que decir que la cuantificación de cada unos delos elementos que interviene en el balance adolece de imprecisiones yde dificultades de observación y toma directa de datos, y por lo tanto,se debe dar como válida una aproximación hasta con márgenes deerror del 15-20%.