NIVEL FREÁTICO Y NIVEL PIEZOMÉTRICO: DEFINICIÓN

Se entiende por nivel freático, como la altura física que tiene una columna de agua, y nivel piezométrico, como la altura o nivel que tendría el agua si se dejara subir o bajar. En casos de pozos que llevan abandonados un tiempo considerable, el nivel freático se considera igual que el nivel piezométrico.

Niveles freáticos y piezométricos en acuíferos libres y confinados.

A continuación, se describirán, definirán e identificarán los métodos de determinación tanto del nivel piezométrico como del nivel freático en aguas subterráneas.

Nivel Freático

El nivel freático, también conocido como manto freático, capa freática, napa subterránea o tabla de agua es el nivel en donde tanto el suelo como las rocas se encuentran permanentemente saturados, es la línea de división entre la zona de aireación y la zona de saturación de los acuíferos, el nivel freático, puede encontrarse en la superficie formando lagos, ríos, manantiales y pantanos.  La profundidad del nivel freático de un acuífero suele variar en función de las precipitaciones estacionales de ala zona, la permeabilidad de las rocas o el caudal de agua extraído por la población tanto para el consumo como para uso agrícola.

Localización del nivel freático en las aguas subterráneas.

¿Cómo se mide el nivel freático?

El nivel freático puede ser medido mediante una perforación o sondeo en el suelo, el nivel de agua que alcance la perforación corresponde con la tabla de agua del acuífero; en este punto la presión del acuífero es igual a la presión atmosférica, mientras que, en niveles por debajo del nivel freático, la presión del acuífero es mayor que la atmosférica y se relaciona con la presión hidrostática la cual se puede ver afectada por el flujo de agua subterránea.

La presión que se encuentra inmediatamente por encima del nivel freático es menor que la atmosférica generando un  fenómeno conocido como succión capilar; cerca del nivel freático gran parte de los capilares del suelo se encuentran saturados de agua, mientras que el sector localizado encima de la zona de succión capilar se denomina  como zona no saturada.

La medición de la succión es tomada con un tensiómetro, el cual es un instrumento que consta de un tubo cerámico permeable, cerrado y lleno de agua, y permite medir la tensión superficial, este es ubicado en un sector del suelo que no se encuentre saturado y es conectado a un manómetro o piezómetro. La succión de los capilares tanto vacíos como medio vacíos en el suelo no saturado puede generar valores negativos en el tensiómetro, cuando se presenta este tipo de datos, se procede a medir la presión del acuífero con el manómetro para obtener información más acertada.

Nivel Piezométrico

El nivel piezométrico corresponde en los acuíferos libres a la altura de la superficie libre de agua sobre el nivel del mar, y en los acuíferos confinados, corresponde a la presión existente y la altura que alcanzaría el agua sobre un punto del acuífero en el cual está se encuentra o un pozo o un sondeo hasta equilibrarse con la presión atmosférica; Por lo tanto, en cada punto donde exista una perforación de un acuífero confinado se tiene un nivel piezométrico propio y diferente.

Esquematización del concepto de nivel piezométrico

En la imagen anterior, se describe de forma esquemática la definición de nivel piezométrico donde:

h = Es el nivel piezométrico en el punto de medida A (Altura que tendrá la tabla de agua dentro del sondeo desde un punto inicial o datum).

z = Representa la energía generada por la elevación del punto A sobre el nivel de referencia o datum.

P = Es la presión que ejerce la columna de agua sobre el punto A

Pw = Es el valor de la densidad del agua.

g = Es la constante de la gravedad.

P/Pw*g = Es la fórmula que representa la longitud de la columna de agua dentro del sondeo o la perforación.

¿Cómo se realiza la medición del nivel piezométrico?

Para determinar el nivel piezométrico en un acuífero, se hace uso de un piezómetro, el cual está diseñado para medir presiones estáticas y es un dispositivo que se emplea para medir la presión de un líquido en un sistema mediante la medición de la altura de la tabla de agua que se eleva contra la gravedad. La aplicación principal del piezómetro es geotécnica y se emplea para determinar la presión de agua en el terreno o el nivel de agua en perforaciones.

Corte trasversal de un acuífero donde se observa la instalación de un Piezómetro al interior de un sondeo vertical.

El diámetro de los tubos piezométricos no debe ser mayor a 5 milímetros, y el piezómetro no puede indicar valores de presión en negativo ya que esto significaría la entrada de fluidos externos al interior del tubo.

¿Cuáles son los principales tipos de instrumentos que se usan en la medición del nivel piezométrico?

• Piezómetros hidráulicos: Se utilizan para medir la presión de poros en terraplenes y presas. Este tipo de medidor consiste de uno o dos tubos llenos con fluido y una punta porosa; el piezómetro se conecta a un manómetro en el punto de medición. Cuando se emplea el piezómetro hidráulico de dos tubos, el segundo tubo sirve como un medio de limpieza para remover gas o sedimento acumulado en la perforación.

• Piezómetro de cuerda vibrante: Se instalan en terraplenes con el objetivo de monitorear la presión de agua de las rocas y son empleados en zonas donde la implementación de piezómetros de tubo abierto podrían verse afectados si interfieren con el equipo de construcción.

• Piezómetro de resistencia eléctrica: Este tipo de piezómetro tiene como ventaja que el sitio de lectura de la medición es independiente de la localización del sensor y sus limitaciones están relacionadas principalmente a la medición de diminutos cambios de resistencia del acuífero.

• Piezómetros Casagrande: Los piezómetros casagrande son usados para la medición de la presión del agua en terraplenes o en sitios seleccionados de los contrafuertes de las presas. Pueden instalarse en una perforación o en terraplenes durante la construcción.

Superficie piezométrica

La superficie piezométrica es una superficie que se proyecta en dos dimensiones (X, Y), y representa la geometría que une los puntos que indican la altura de la tabla de agua en un acuífero a una determinada profundidad en el mismo.  Este tipo de superficies son representadas mediante isopiezas (líneas que unen puntos de igual valor del nivel piezométrico), donde el valor de las isopiezas debe ser expresada siempre junto a las mismas y se debe procurar que la separación entre ellas sea equidistante.  Las superficies piezométricas tienen como finalidad demostrar la evolución espacial de la profundidad del agua en factores como la superficie del terreno, el valor de los gradientes hidráulicos, la dirección y sentido del flujo de agua subterránea, entre otros.

¿Cómo se trazan las superficies piezométricas?

Para poder realizar el trazado de estas superficies, se requieren información del nivel piezométrico y dicha información se obtiene a partir de valores medidos de pozos y sondeos, a partir de dichos datos, se trazan las isopiezas que ayuden a definir la superficie piezométrica; para realizar el trazado de isopiezas de un acuífero, se requiere que los valores del nivel piezométrico medidos, correspondan a un mismo acuífero y que dichos valores estén expresados en cotas absolutas (metros sobre el nivel del mar).

Se infiere que el medio donde se realizará el trazado de la superficie piezométrica es homogéneo e isótropo y que el nivel varía de manera gradual.  Se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones para el trazado de las isopiezas:

1. El trazado de las isopiezas debe ser concordante con la topografía del terreno.

2. Las isopiezas deben ser perpendiculares con los límites impermeables del acuífero y paralelas a las superficies y líneas de nivel constante que tengan conexión hidráulica con el acuífero.

3. La separación espacial entre isopiezas disminuirá cuando el gradiente hidráulico aumente ya sea por la disminución de la permeabilidad del medio o la existencia de una zona de descarga natural en el acuífero.

Ejemplo del gráfico de superficies piezométricas en acuíferos confinados, el valor de las isopiezas está dado en metros sobre el nivel del mar.