17El agua bajo tierra

Es un caluroso día de verano: los campos están secos y los arroyos llevan poca agua. Y, sin embargo, al pie de una colina sigue brotando agua del suelo, fría y transparente, como durante todo el invierno, y llena una poza. Hace semanas que no llueve. ¿De dónde viene esta agua, y cómo sale de la roca?

Lo que ya sabes

Casi toda el agua de la Tierra es agua salada; el agua dulce es una parte pequeña, guardada sobre todo en forma de hielo y bajo tierra (Capítulo 3). Rocas como la arenisca y la caliza están hechas de granos o de conchas unidos entre sí, mientras que la arcilla y la lutita están hechas de partículas muy finas (Capítulo 15). En el libro de física has seguido el agua a lo largo del ciclo del agua: se evapora de los mares, se condensa en nubes y vuelve a caer en forma de lluvia o de nieve.

17.1 La lluvia se infiltra

Cuando la lluvia cae sobre la tierra, el agua puede seguir tres caminos. Una parte se evapora y vuelve al aire. Otra parte corre por la superficie, ladera abajo, hasta los arroyos y los ríos: es la escorrentía. El resto se infiltra en el suelo.

Definición 17.1 (Infiltración)

La infiltración es la entrada del agua de lluvia, o de la nieve fundida, en el suelo, a través de la tierra y hacia abajo, hasta las rocas.

La cantidad de agua que se infiltra depende del terreno. En una pendiente empinada, en un suelo desnudo o duro, en una carretera o en un aparcamiento, o cuando el suelo ya está empapado, casi toda el agua corre por la superficie. En una pendiente suave, bajo la hierba y los árboles, en un suelo arenoso, una parte mayor tiene tiempo de infiltrarse.

17.2 Rocas porosas y permeables

Mira con una lupa un puñado de arena seca: entre los granos hay espacios vacíos diminutos. Echa agua encima y el agua llena esos espacios. Muchas rocas son así: están llenas de agujeritos entre sus granos, o de grietas finas.

Definición 17.2 (Porosidad)

Los poros de una roca son los espacios vacíos que hay entre sus granos y en sus grietas. Una roca con poros es porosa. Su porosidad es la parte de su volumen formada por poros, escrita como porcentaje.

Definición 17.3 (Permeabilidad)

Una roca es permeable cuando el agua puede atravesarla, porque sus poros son lo bastante grandes y están conectados entre sí. Es impermeable cuando el agua no puede atravesarla. La permeabilidad es la facilidad con que el agua atraviesa una roca.

Las dos ideas no son iguales. La arcilla es muy porosa: la mitad de su volumen está formada por poros. Pero sus poros son tan diminutos que el agua se queda pegada en ellos: la arcilla es impermeable. La arena tiene menos poros que la arcilla, pero son anchos y están conectados: la arena es permeable. El granito sin grietas casi no tiene poros.

La tabla da la porosidad de algunos materiales y la parte del agua que sale de ellos por sí sola cuando están llenos de agua. El resto se queda pegado a los granos.

Método 17.4 (¿Cuánta agua contiene una roca?)

1. Halla el volumen de la roca (para un bloque: largo $\times$ ancho $\times$ alto).
2. Multiplica por la porosidad y divide entre 100: es el volumen de los poros, y por tanto el agua que contiene la roca cuando está llena.
3. Para el agua que sale, usa el segundo porcentaje de la misma manera. (1 metro cúbico son 1000 litros.)

Ejemplo 17.5 (Un metro cúbico de arena)

Un metro cúbico de arena, lleno de agua, contiene en sus poros $1000 \times 25 \div 100 = 250$ litros de agua. De ellos, $1000 \times 22 \div 100 = 220$ litros salen por sí solos; 30 litros se quedan pegados a los granos. Un metro cúbico de arcilla contiene el doble de agua, 500 litros, pero solo salen 20 litros.

En el laboratorio — ¿Arena o arcilla? (en clase, con el profesor)

Dos macetas con un agujero en el fondo están colocadas sobre dos vasos. Una se llena de arena seca, y la otra, de tierra arcillosa seca bien apretada. El profesor echa el mismo vaso de agua en cada una, al mismo tiempo. A través de la arena, el agua pronto gotea en el vaso de abajo. Sobre la arcilla, el agua se queda arriba formando un charco y solo pasan unas pocas gotas, despacio: la arena es permeable, y la arcilla, no.

17.3 El agua subterránea y el nivel freático

Cava un hoyo en la arena de una playa, a unos pasos del mar: al cabo de un rato, aparece agua en el fondo del hoyo. Has llegado al lugar donde todos los poros de la arena están llenos de agua.

Definición 17.6 (Agua subterránea)

El agua subterránea es el agua que hay bajo tierra, llenando los poros y las grietas del suelo y de las rocas.

Definición 17.7 (Nivel freático)

Por debajo de cierta profundidad, todos los poros de la roca están llenos de agua. El nivel freático es el techo de esta zona llena de agua. Por encima de él, los poros contienen aire y un poco de agua; por debajo, están llenos de agua.

El nivel freático no es plano. Sigue la forma del terreno, pero de manera más suave: más alto bajo las colinas y más bajo bajo los valles. También sube y baja con las estaciones. Después de una estación lluviosa, la lluvia que se ha infiltrado lo hace subir; después de una larga estación seca, el agua se va despacio hacia los manantiales y los ríos, y el nivel freático baja.

El agua subterránea es una gran reserva de agua dulce. De toda el agua dulce de la Tierra, alrededor del 69 % es hielo y nieve permanente, y alrededor del 30 % es agua subterránea; el agua dulce de todos los lagos solo supone alrededor de la cuarta parte del uno por ciento. El agua subterránea es más de cien veces más abundante que el agua dulce de los lagos.

17.4 Manantiales y pozos

Definición 17.8 (Manantial y pozo)

Un manantial es un lugar donde el agua subterránea sale del suelo por sí sola, allí donde el nivel freático se encuentra con la superficie. Un pozo es un agujero excavado o perforado hasta por debajo del nivel freático, de modo que el agua subterránea llena su fondo y se puede sacar.

El corte de abajo atraviesa un valle de las Colinas de Varden, la región de nuestros ejercicios. Las colinas son de creta, una caliza blanca, blanda, porosa y permeable. Bajo la creta hay una capa de lutita, que es impermeable. La lluvia se infiltra en la creta, llena sus poros y se detiene sobre la lutita.

El manantial brota donde la base de la creta corta la ladera: el agua no puede bajar a través de la lutita, así que corre por encima de ella y sale en la pendiente. Mientras haya agua en la creta por encima de la lutita, el manantial sigue manando, incluso en un verano seco: esa es la respuesta a la pregunta del principio del capítulo.

Fíjate en los dos pozos. El pozo A tiene 100 m de profundidad; su fondo está por debajo del nivel freático en todas las estaciones, así que siempre da agua. El pozo B es aún más profundo, de 105 m, pero se excavó más arriba en la colina: su fondo está por debajo del nivel freático después de la estación lluviosa y por encima después de la estación seca. En verano, el pozo B se seca. Lo que importa no es la profundidad de un pozo, sino lo mucho que su fondo baja por debajo del nivel freático más bajo.

Observación 17.9 (Un pozo puede secarse)

Bombear agua de un pozo hace bajar el nivel freático a su alrededor. Si se bombea el agua más deprisa de lo que la lluvia vuelve a llenar la roca, el nivel freático baja y baja: el pozo da cada vez menos agua y puede secarse. Dos vecinos que bombean de la misma roca comparten la misma agua: una bomba puede secar el pozo del otro.

17.5 Los acuíferos

Definición 17.10 (Acuífero)

Un acuífero es una capa de roca porosa y permeable, llena de agua subterránea, que deja salir esa agua hacia los manantiales y los pozos. La lluvia que se infiltra vuelve a llenarla.

La creta de las Colinas de Varden es un acuífero: es porosa, es permeable, y las granjas de las colinas sacan de ella su agua. La lutita que hay debajo no es un acuífero: el agua no puede atravesarla. Más abajo todavía, bajo la lutita, hay una caliza y una arenisca, que también pueden contener agua; para llegar a ella, hay que perforar un pozo que atraviese toda la lutita.

El agua subterránea forma parte del ciclo del agua. La lluvia se infiltra en un acuífero; el agua subterránea corre despacio a través de los poros; sale por los manantiales y hacia los ríos, que la llevan al mar; allí se evapora y vuelve a caer en forma de lluvia. Sacar agua de un acuífero es como sacar agua de un depósito que la lluvia llena despacio: solo dura si no sacamos más de lo que la lluvia devuelve.

17.6 Mantener limpia el agua subterránea

El agua que se infiltra en el suelo se filtra por el camino: las hojas, las partículas de tierra y los pequeños animales quedan retenidos por el suelo y la roca. Por eso el agua de un manantial o de un pozo suele parecer cristalina. Pero las sustancias disueltas en el agua no quedan retenidas: bajan con ella hasta el nivel freático.

El agua subterránea puede estropearse por lo que la gente echa en el suelo: los abonos y los pesticidas que se esparcen en los campos y los jardines, la sal que se echa en las carreteras heladas, el combustible que se escapa de un depósito, los residuos tirados al aire libre, el rebose de las fosas sépticas mal cuidadas de las casas. Una vez disueltas en un acuífero, estas sustancias son difíciles de eliminar, y puede que el agua ya no sea segura para beber sin tratarla. Por eso hay que analizar el agua de un pozo antes de beberla, y conviene mantener los abonos, el combustible y los residuos lejos de los pozos y los manantiales.

Las sustancias disueltas viajan con el agua subterránea. Por debajo del nivel freático, el agua avanza despacio cuesta abajo: desde donde el nivel freático es alto, bajo las colinas, hasta donde es bajo, en los manantiales y los ríos. Por eso un vertido que se infiltra no se queda donde cayó. Baja hasta el nivel freático y después se desplaza cuesta abajo con el agua subterránea, hacia lo que haya por debajo en la pendiente.

Método 17.11 (¿Está en peligro un pozo?)

1. Busca dónde está alto el nivel freático y dónde está bajo: está alto bajo las colinas y bajo cerca de los manantiales y los ríos.
2. El agua subterránea corre de lo alto a lo bajo: dibuja su dirección con una flecha.
3. Un pozo o un manantial situado cuesta abajo de una fuente de contaminación, en el camino de esa flecha, está en peligro; un pozo situado cuesta arriba, no.

Ejemplo 17.12 (Un depósito de combustible nuevo para la granja)

Una granjera de una ladera de creta bebe el agua de su propio pozo, a media pendiente, y quiere poner un depósito de combustible nuevo en uno de dos campos: uno cuesta arriba del pozo y otro cuesta abajo, cerca del arroyo. El agua subterránea corre cuesta abajo. Una fuga en el campo de arriba bajaría hacia el pozo; una fuga en el campo de abajo se alejaría de él, hacia el arroyo. Para el pozo, el campo situado por debajo es la mejor elección — y un depósito sobre una bandeja que recoja cualquier fuga es mejor todavía, porque el arroyo también importa.

Sobre el terreno — Descubrir manantiales

En un paseo con un adulto, mira a lo largo del pie de una pendiente. Un manantial se delata a menudo por una mancha de suelo húmedo, una línea de hierba más verde o de juncos en un campo seco, un arroyuelo que nace de la nada, o un pilón de piedra o un abrevadero construidos para recoger el agua. En un mapa detallado de senderismo, los manantiales se marcan con un pequeño símbolo. Observa desde el camino: no bebas nunca el agua de un manantial que no se haya analizado.

17.7 Ejercicios

Ejercicio 17.1 ★

Clasifica estos materiales en “permeables” e “impermeables”: arena, arcilla, grava, granito sin grietas, lutita, creta.

Solución

Solución de Ejercicio 17.1.

Permeables: arena, grava, creta. Impermeables: arcilla, granito sin grietas, lutita.

Ejercicio 17.2 ★

Une cada palabra con su significado: manantial; pozo; nivel freático; acuífero. (a) El techo de la zona en la que todos los poros están llenos de agua. (b) Una capa porosa y permeable que contiene agua subterránea. (c) Un lugar donde el agua subterránea sale por sí sola. (d) Un agujero que baja hasta por debajo del nivel freático.

Solución

Solución de Ejercicio 17.2.

(a) nivel freático; (b) acuífero; (c) manantial; (d) pozo.

Ejercicio 17.3 ★

(a) Di los tres caminos que puede seguir el agua de lluvia cuando cae sobre la tierra. (b) Después de una tormenta, ¿dónde corre más agua por la superficie: en un aparcamiento o en un prado? ¿Por qué?

Solución

Solución de Ejercicio 17.3.

(a) Se evapora y vuelve al aire; corre por la superficie hasta los arroyos; se infiltra en el suelo (infiltración). (b) En el aparcamiento: su superficie dura casi no deja que el agua se infiltre, así que el agua corre por encima. En el prado, el suelo y la hierba dejan que buena parte se infiltre.

Ejercicio 17.4 ★

¿Verdadero o falso? Corrige las frases falsas. (a) Una roca porosa siempre es permeable. (b) Por debajo del nivel freático, los poros están llenos de agua. (c) El nivel freático es plano, como la superficie de un lago. (d) Hay más agua dulce bajo tierra que en todos los lagos.

Solución

Solución de Ejercicio 17.4.

(a) Falso: la arcilla es muy porosa pero impermeable, porque sus poros son diminutos. (b) Verdadero. (c) Falso: sigue la forma del terreno, de manera más suave, y sube y baja con las estaciones. (d) Verdadero: alrededor del 30 % de toda el agua dulce es agua subterránea, frente a alrededor de la cuarta parte del uno por ciento en los lagos.

Ejercicio 17.5 ★★

Un cubo contiene 10 litros de arena seca. La porosidad de la arena es del 25 %. ¿Cuánta agua puedes echar en el cubo antes de que rebose? ¿Cuánta agua saldría por un agujero en el fondo (22 %)?

Solución

Solución de Ejercicio 17.5.

$10 \times 25 \div 100 = 2.5$: puedes echar 2.5 litros antes de que rebose. $10 \times 22 \div 100 = 2.2$: saldrían 2.2 litros por el agujero.

Ejercicio 17.6 ★★

Un bloque de caliza mide 2 m por 1 m por 1 m. (a) ¿Cuál es su volumen, en metros cúbicos y en litros? (b) Su porosidad es del 20 %: ¿cuántos litros de agua contiene cuando está lleno? (c) De esa agua, sale el 18 % del volumen. ¿Cuántos litros salen y cuántos se quedan pegados?

Solución

Solución de Ejercicio 17.6.

(a) $2 \times 1 \times 1 = 2$ metros cúbicos, es decir, 2000 litros. (b) $2000 \times 20 \div 100 = 400$ litros. (c) Salen $2000 \times 18 \div 100 = 360$ litros; se quedan pegados $400 - 360 = 40$ litros.

Ejercicio 17.7 ★★

Usa el corte de las Colinas de Varden. (a) ¿A qué altura está el manantial? ¿Y el río? (b) ¿Está el manantial por encima o por debajo del río? ¿Adónde va el agua del manantial? (c) ¿Por qué no hay ningún manantial en medio de la ladera de creta?

Solución

Solución de Ejercicio 17.7.

(a) El manantial está a unos 203 m, y el río, a unos 132 m. (b) El manantial está unos 70 m por encima del río: su agua baja por la pendiente hasta el río. (c) Dentro de la ladera de creta, el nivel freático está por debajo del suelo; solo se encuentra con la superficie donde la base de la creta, apoyada sobre la lutita impermeable, sale a la pendiente.

Ejercicio 17.8 ★★

En el pozo A, el suelo está a 401 m; el nivel freático está a 336 m después de la estación lluviosa y a 314 m después de la estación seca. (a) ¿A qué profundidad bajo el suelo está el agua en cada estación? (b) ¿Cuántos metros baja el nivel freático entre las dos estaciones?

Solución

Solución de Ejercicio 17.8.

(a) Después de la estación lluviosa: $401 - 336 = 65$ m; después de la estación seca: $401 - 314 = 87$ m. (b) $336 - 314 = 22$ m.

Ejercicio 17.9 ★★

Un granjero quiere un pozo nuevo en lo alto de la colina, en el extremo derecho del corte. ¿Debe ser el pozo más profundo o menos profundo que el pozo A? Explícalo con el nivel freático.

Solución

Solución de Ejercicio 17.9.

Más profundo. El nivel freático sigue la forma del terreno, pero de manera más suave: en lo alto de la colina está más alto que bajo el pozo A, pero el suelo sube mucho más, así que el agua está más lejos de la superficie (en el corte, a más de 110 m de profundidad).

Ejercicio 17.10 ★★

Un metro cúbico de arcilla contiene 500 litros de agua, pero solo da 20 litros. Explica por qué un pozo excavado en la arcilla casi no da agua, aunque la arcilla está llena de ella.

Solución

Solución de Ejercicio 17.10.

Los poros de la arcilla son diminutos: el agua se queda pegada a las láminas y no puede atravesar la arcilla hacia el pozo. La arcilla es porosa pero impermeable, así que solo sale un poco de agua (20 litros de 500).

Ejercicio 17.11 ★★★

De toda el agua dulce de la Tierra, el 30.1 % es agua subterránea y el 0.26 % está en los lagos. (a) ¿Cuántas veces más agua dulce hay bajo tierra que en los lagos? (b) De toda el agua dulce, alrededor del 69 % es hielo y nieve. ¿Qué parte queda para todo lo demás (el agua subterránea, los lagos, los ríos, el aire, el suelo…)? (c) ¿Por qué es tan importante el agua subterránea para el agua potable?

Solución

Solución de Ejercicio 17.11.

(a) $30.1 \div 0.26 \approx 116$: más de cien veces más. (b) $100 - 69 = 31$: queda alrededor del 31 %, y solo el agua subterránea supone unos 30 de ellos. (c) Es, con mucho, la mayor reserva de agua dulce líquida; el hielo está congelado y casi siempre lejos, en las regiones polares y en las montañas. Y hay agua subterránea casi en todas partes bajo nuestros pies.

Ejercicio 17.12 ★★★

Dos granjas están una al lado de la otra sobre la misma creta. Un verano, la primera granja instala una bomba potente y llena un estanque grande; unas semanas después, el pozo de la segunda granja se seca, aunque nadie lo ha tocado. Explica lo que pasó y lo que podrían hacer los dos granjeros.

Solución

Solución de Ejercicio 17.12.

Los dos pozos sacan agua del mismo acuífero de creta. La bomba potente sacó el agua más deprisa de lo que la lluvia vuelve a llenar la creta, así que el nivel freático bajó en toda la zona, por debajo del fondo del segundo pozo, que se secó. Los granjeros podrían ponerse de acuerdo para bombear menos, sobre todo en verano, compartir un pozo o hacer más hondo el segundo pozo; sobre todo, no deberían sacar más agua de la que devuelve la lluvia.

17.8 Problema: el pozo de la granja de las Colinas de Varden

Problema 17.1

Problema de fin de semana — las rocas bajo una granja de las Colinas de Varden, el agua almacenada en su creta y cuántos días duraría sin lluvia

Una granja de las Colinas de Varden está sobre la creta, junto al pozo A del corte. El granjero quiere saber cuánto tiempo podría abastecer el pozo a la granja durante una larga sequía, si no llegara ninguna lluvia a volver a llenar la creta.

Parte I — Las rocas bajo la granja.

1. Di el nombre de la roca sobre la que está la granja y el de la roca que hay debajo. ¿Cuál es permeable?
2. Explica por qué brota un manantial al pie de la pendiente, por debajo de la granja.
3. Usa el corte: el suelo de la granja está a 401 m, y el nivel freático, a 336 m después de la estación lluviosa. ¿A qué profundidad está el agua?
4. Después de la estación seca, el nivel freático está a 314 m. El pozo A tiene 100 m de profundidad. ¿Sigue llegando al agua? ¿Por cuántos metros?

Parte II — El agua de la creta. El granjero puede vaciar la creta que rodea el pozo en un bloque de 100 m de largo, 50 m de ancho y 2 m de espesor, por debajo del nivel freático. La creta es una caliza: usa una porosidad del 20 % y una parte de agua que sale del 18 %.

5. ¿Cuál es el volumen del bloque, en metros cúbicos?
6. ¿Cuántos metros cúbicos de agua llenan sus poros?
7. ¿Cuántos metros cúbicos de agua salen de él hacia el pozo? ¿Cuántos se quedan pegados en la creta?
8. Escribe en litros el agua que sale.

Parte III — Cuánto dura.

9. La granja (la casa, los animales y el huerto) usa 18 metros cúbicos de agua al día. ¿Cuántos litros son?
10. ¿Cuánta agua usa la granja en una semana?
11. ¿Por qué no se agota en un año normal la reserva de agua de la creta?
12. Sin ninguna lluvia, ¿durante cuántos días abastecería a la granja el agua que sale del bloque?

Solución

Solución de Problema 17.1.

1. La granja está sobre creta; debajo hay lutita. La creta es permeable; la lutita, no.

2. La lluvia se infiltra en la creta y se detiene sobre la lutita. Donde la base de la creta sale a la pendiente, el nivel freático se encuentra con el suelo y el agua sale: es el manantial.

3. $401 - 336 = 65$ m por debajo del suelo.

4. El fondo del pozo está a $401 - 100 = 301$ m, por debajo del nivel freático, que está a 314 m: el pozo sigue llegando al agua, por $314 - 301 = 13$ m.

5. $100 \times 50 \times 2 = 10\,000$ metros cúbicos.

6. $10\,000 \times 20 \div 100 = 2000$ metros cúbicos.

7. Salen $10\,000 \times 18 \div 100 = 1800$ metros cúbicos; se quedan pegados $2000 - 1800 = 200$ metros cúbicos.

8. $1800 \times 1000 = 1\,800\,000$ litros.

9. $18 \times 1000 = 18\,000$ litros al día.

10. $18 \times 7 = 126$ metros cúbicos a la semana.

11. La lluvia de la estación húmeda se infiltra en la creta y la vuelve a llenar cada año (mientras las granjas no bombeen más de lo que devuelve la lluvia).

12. $1800 \div 18 =$ 100 días: algo más de tres meses sin ninguna lluvia.