1. 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

2. Apuntes de Hidrogeología 2006 Prof. Fermín Villarroya 2
n
TEMA 1.
INTRODUCCIÓN. Las aguas subterráneas en el ciclo
hidrológico. Recursos y reservas de agua. Importancia de las
aguas subterráneas en España.
1.- SINGULARIDADES DE LA DISTRIBUCIÓN DEL AGUA
EN LA HIDROSFERA
La tabla nº 1 muestra la distribución del agua en la Hidrosfera. Es de
destacar las cifras que aparecen en la cuarta columna. En ella destaca la
gran cantidad de agua almacenada en los océanos (el 97,6% del total),
si bien, lógicamente, es agua salada. El agua existente en los
continentes (el 2,4% restante) casi toda es sólida (y conviene que lo
siga siendo: nótese que si se fundiesen los hielos glaciares y los
casquetes, la altura a la que subiría el mar sería de 50 m). Por lo tanto
la mayor parte del agua líquida dulce disponible está contenida en los
acuíferos (0,5% del total). Si comparamos esta cifra con la relativa a los
ríos (0,0001%) se comprenderá el importante valor estratégico que para
la humanidad tiene el preservar los recursos hídricos subterráneos,
tanto en cantidad como en calidad.

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Otro hecho notable estriba en el tiempo de renovación o residencia
del agua (columna 5). De nuevo hay fuertes contrastes entre las aguas
superficiales y las subterráneas pues mientras en las primeras el tiempo
de residencia es de 15-20 días, en las subterráneas se cuenta por
decenas y miles de años. El tiempo de residencia medio en los
acuíferos, a escala mundial es de 280 años, pero hay acuíferos con
500.000 años y más de tiempo de residencia. Esto marca un diferente
carácter y señala dos formas distintas de concebir la gestión de las
aguas superficiales y subterráneas. Por ejemplo si se diera el caso de
una contaminación, las aguas superficiales podrían fácilmente
corregirse con tal de localizar y eliminar las fuentes contaminantes. No
así en el caso de contaminación de un acuífero, que una vez eliminado

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el foco contaminante, tardaría de forma natural muchos años (decenas
a cientos o miles de años incluso) en desaparecer la contaminación.
El largo tiempo de residencia en las aguas subterráneas significa que la
tasa de recarga procedente de las lluvias es muy pequeña. Al ser la
recarga anual escasa en comparación con el gran volumen de agua que
almacena normalmente un acuífero, si no hubiese lluvia por algunos
años, los acuíferos profundos prácticamente no lo acusarían. Ellos
ignoran las sequías. Por lo tanto los acuíferos son recursos confiables,
efectivamente inmunes a las fluctuaciones anuales de las
precipitaciones e incluso a largos períodos de sequía.
De la tabla se desprende la tasa de evaporación del agua del mar o de
un lago: a partir de los espesores (columna de altura equivalente en la
tabla) y el tiempo de residencia, se calcula una tasa de evaporación
próxima a un metro/año. Esto nos conduce a plantear el supuesto
siguiente: 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 4
000 años (salvo circunstancias locales). Otra cosa bien diferente es la
antigüedad de las cuencas oceánicas que albergan esas aguas y que son
de decenas a centenares de millones de años de antigüedad.
Finalmente, entre otros hechos dignos de destacar, cabría cuestionarse
sobre los abastecimientos procedentes de embalses de agua superficial.
Agua, que a la luz de la tabla, supone un recurso muy pequeño (tan
solo el 0,0001% del total de la hidrosfera) a la vez que efímero (15-20
días de tiempo de renovación).
2.- LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS EN EL CONTEXTO DEL
CICLO HIDROLÓGICO. MEDICIÓN Y ORDEN DE
MAGNITUD DE LOS COMPONENTES
Los componentes que forman el ciclo del agua son: precipitación (P),
evapotranspiración (ETR), escorrentía directa (ED) y escorrentía
subterránea (EB) o básica, relacionados según la expresión:

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P= ETR+ED+EB
Se sobreentiende que ello se aplica en una cuenca hidrográfica lo
suficientemente grande para que tales integrantes muestren unas
características o comportamiento que es la media o el reflejo de lo que
de modo natural o espontáneo está ocurriendo en la región. Para tener
correctamente controlado los componentes del ciclo del agua, debería
ser una cuenca lo suficientemente grande y representativa de la región.
Además se debería disponer de una larga serie ininterrumpida de
registros de tales factores durante un largo tiempo (cuanto más mejor,
si bien 30 años se considera como un mínimo suficientemente
representativo, a efectos estadísticos). Se supone que el balance de
entradas y salidas dentro de la cuenca analizada está equilibrado por lo
que no hay variación (ni aumento ni vaciado) en el almacenamiento.
Por otra parte sería un error considerar una cuenca hidrográfica como
una superficie del territorio. Más bien es una porción tridimensional
del territorio que se extiende también por lo tanto en profundidad
abarcando las aguas subterráneas.
La precipitación (P) es la caída gravitacional del agua líquida ó en
forma sólida (nieve y granizo), contenida en la atmósfera. También
comprende la condensación y el rocío (escarcha, si se efectúa por
debajo de cero grados). La precipitación media en la España peninsular
es de 684 mm/año si bien con grandes variaciones de unas cuencas a
otras. España cuenta con unas 5 000 estaciones meteorológicas a partir
de cuyos registros se obtiene por la media aritmética, o por métodos
de reparto geográfico (polígonos de Thiessen y método de las isoyetas),
la precipitación ocurrida en una cuenca. Por ejemplo en Madrid la
precipitación media anualen el Retiro es de 430 mm ó L/m2. Dicho
con otras palabras: en la ciudad de Madrid si el terreno fuera plano e
impermeable al cabo de un año habría una lámina continua de agua de
un espesor de 430 mm. Un mm de precipitación indica la altura que
alcanza un litro de agua derramado sobre una superficie de un m2.
Equivale a una precipitación de 10 m3 por ha.

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Las estaciones más antiguas de España son San Fernando (Cádiz) y el
Retiro (Madrid) que cuentan con registros desde 1805 y 1841,
respectivamente.
La ETR comprende conjuntamente la evaporación y la transpiración
producidas por la cubierta vegetal. Es un término prolijo de cuantificar
y en cierta medida aleatorio (depende por ejemplo de la contingencia
de que se produzcan incendios, plagas, cambios del tipo de cultivo,
cambios en el número de cabezas de la cabaña, etc.). Por lo tanto si
bien hay métodos para su cuantificación (lisímetros, fórmulas
experimentales, balance de agua en el suelo, etc.), normalmente es un
término que se obtiene despejándolo de la ecuación del balance del
agua:
ETR=P-ED-EB
Esta expresión suele denominarse "déficit de escorrentía" puesto
que representa el volumen de agua que no llega a pasar por la estación
de aforo de un río debido precisamente a su eliminación por la
evapotranspiración.
La ED (escorrentía directa) representa el agua que, movilizada por la
gravedad, se resuelve en pequeños hilos y canales de agua que
finalmente convergen en los canales principales (caños o brazos de
agua, coloquialmente llamados ríos) y así llegan hasta el mar, o a algún
lago interior.
La EB (escorrentía básica) representa la contribución de los
acuíferos al volumen de agua que desplazan los ríos. Por ello recibe
también el nombre de escorrentía subterránea. En algunos casos
supone más del 50% del total de agua aportado por un río a su paso
por un determinado punto de la cuenca. Tal contribución se materializa
mediante los manantiales o por la conexión directa de los acuíferos con
los cauces. Por lo tanto ambas escorrentías (ED+ED) forman parte del
agua que llevan los "ríos" y que se miden en unas instalaciones

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especiales denominadas estaciones de aforo, cuyo funcionamiento
queda fuera de los objetivos de estos apuntes.
El volumen de agua que lleva un "río" a su paso por una estación de
aforos al cabo de un determinado período de tiempo (normalmente un
año hidrológico: 1.º de octubre a 30 de septiembre del siguiente año)
recibe el nombre de aportación y suele medirse en Mm3 (hm3) en la
mayoría de los casos. La tabla 2 muestra los valores de las aportaciones
de los principales ríos peninsulares. Mediante la curva de gastos de
las estaciones de aforos se determina el caudal diario de la corriente
fluvial. Los datos los suministra el Centro de Estudios Hidrográficos
(Ministerio de Fomento). Con los datos diarios de caudal se dibuja una
curva que representa la distribución del caudal a lo largo del año
hidrológico, denominada hidrograma (figura 1).
Según se desprende del Libro Blanco del Agua en España los
integrantes del ciclo del agua se reparten en el suelo peninsular de la
siguiente 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) está
bastante anclada entre un 5-15% de la precipitación. En climas muy
lluviosos (como la cornisa cantábrica) la ETR desciende hasta
porcentajes del 35% de la precipitación.

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3.-ANÁLISIS Y DESCOMPOSICIÓN DE UN HIDROGRAMA
El hidrograma (fig.1), reproduce con fidelidad buena parte de lo
acontecido al ciclo del agua a lo largo de un año hidrológico. El
hidrograma comienza normalmente con muy bajos caudales
(característicos del final del estío en un clima mediterráneo).
Posteriormente, las lluvias otoñales o primaverales dan un tramo de
curva del hidrograma en continuo crecimiento con un cierto decalaje
temporal con respecto a la pluviometría. Tras alcanzar una cresta, el
hidrograma muestra una curva de agotamiento si existe un largo
periodo de tiempo sin precipitaciones (como ciertamente ocurre en el
clima mediterráneo de verano seco). La pendiente de la curva (o recta)
de agotamiento es característica de cada cuenca hidrográfica y está
condicionada por la geometría y características de los acuíferos
existentes en la cuenca hidrográfica. La separación del hidrograma en
ED y EB puede efectuarse con más o menos precisión por una serie de
métodos gráficos semicuantitativos que no son objeto de estos
apuntes.
Lo importante es que los acuíferos contribuyen, en muchos casos muy
significativamente, al caudal de agua que llevan los ríos. Dicho aporte
de agua es la escorrentía básica o subterránea (EB) y que por provenir
de los acuíferos debe corresponder con el agua infiltrada en ellos por
las precipitaciones. Algunos autores hacen coincidir los recursos
renovables con estos volúmenes de agua. En definitiva la infiltración,
llegaría a ser equivalente (grosso modo) a la escorrentía básica o a las
aguas renovables de una cuenca.
En la tabla 2, se muestran valores del ciclo del agua en diversas
cuencas. La ETR supone un 75% de la precipitación, para los ríos de la
vertiente mediterránea de la península. La Escorrentía básica (EB) (o
infiltración) suele estar próxima al 10% de la precipitación. Por lo tanto
siguiendo con el ejemplo de Madrid antes aludido, cabe esperar que la
recarga anual en el acuífero terciario detrítico de Madrid sea de 43
L/m2, que es el 10% de la precipitación, en el parque del Retiro.

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Los datos climáticos (precipitación, temperatura y evapotranspiración)
se consiguen en el Instituto Meteorológico Nacional (Ciudad
Universitaria), mientras que los datos de aforo pueden solicitarse al
Centro de Estudios Hidrográficos (Paseo bajo de la Virgen del Puerto)
y en su defecto en las Confederaciones Hidrográficas (Avda. de
Portugal, 81 para la CH del Tajo); además algunos organismos
autonómicos disponen de datos propios de aforos.
Año hidrológico, año meteorológico, año agrícola: el año
hidrológico comprende desde el 1º de octubre al 30 de
septiembre del siguiente año, el año meteorológico suele

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considerarse desde el 1º de septiembre al 31 de agosto del
siguiente año, y año agrícola coincide con el hidrológico.
Cuenca hidrográfica: territorio cuyas aguas de escorrentía
convergen todas en un mismo río, lago o mar.
Curva de gastos de un río. Gráfico experimental elaborado a
partir de mediciones de caudal directas, realizadas en una
estación de aforos. Dan la relación entre espesor de la lámina de
agua y el caudal. A partir de ellos de forma automatizada se
obtienen los caudales diarios y por extensión mensuales y
anuales.
4.-BALANCE DE AGUA DE UNA CUENCA
HIDROGRÁFICA Y DE UN ACUÍFERO
El balance de agua se refiere al volumen de agua que entra en un
acuífero procedente de diversas vías (infiltración a partir de la
precipitación, recarga a partir de ríos o de otros acuíferos, retornos de
regadío, etc.), al cual hay que descontar las salidas vía
evapotranspiración, bombeos, descarga a ríos u otros acuíferos, salidas
al 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 y
determinar un periodo de tiempo concreto. En el balance referido al
ciclo del agua en una cuenca hidrográfica, actúa la precipitación
como entrada y las escorrentías (directa y básica) y la
evapotranspiración real, como salidas.

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Para periodos largos de tiempo y acuíferos suficientemente extensos
(por ejemplo de centenares de km2) y no perturbados por la acción
antrópica, el balance final suele ser cero, o lo que es lo mismo las
entradas son iguales a las salidas y el acuífero, esencialmente, mantiene
idéntico volumen de agua. Sin embargo en la mayor parte de las
cuencas hidrográficas para realizar correctamente el balance, hay que
tener en cuenta las extracciones (bombeos), derivaciones y trasvases de
agua. En general hay que decir que la cuantificación de cada unos de
los elementos que interviene en el balance adolece de imprecisiones y
de dificultades de observación y toma directa de datos, y por lo tanto,
se debe dar como válida una aproximación hasta con márgenes de
error del 15-20%.