La hidrología superficial (lluvia-escorrentía) y la hidráulica de cauces suelen centrarse en el comportamiento del agua sobre la superficie terrestre. Sin embargo, el agua subterránea constituye un componente fundamental del ciclo hidrológico: investigaciones recientes publicadas en Nature Geoscience (2024) han determinado que aproximadamente el 59% ± 7% del caudal global de los ríos proviene de fuentes subterráneas. Este dato subraya que las aguas subterráneas desempeñan un papel más activo en el ciclo hidrológico de lo que la mayoría de los modelos simulan actualmente. Ignorar las interacciones entre aguas subterráneas y superficiales puede llevar a subestimar o sobrestimar significativamente los caudales, los volúmenes de agua disponibles y la seguridad de las obras hidráulicas.

El agua infiltrada que recarga los acuíferos no «desaparece» del sistema; de hecho, puede volver a emerger de forma natural a través de manantiales, filtraciones u oasis cuando el nivel freático alcanza la superficie. Los estudios indican que al menos el 21% de la precipitación global recarga acuíferos. Por ello, es crucial identificar cuándo debemos incorporar explícitamente el análisis de las aguas subterráneas en nuestros estudios hidrológicos e hidráulicos. En esta entrada, repasaremos conceptos principales y veremos en qué casos se requiere de forma prácticamente obligatoria de la consideración de las aguas subterráneas en el estudio hidrológico.

Aguas subterráneas en el ciclo hidrológico

La lluvia que se infiltra en el suelo recarga los acuíferos y se convierte en agua subterránea. Esta agua subterránea se mueve lentamente bajo tierra siguiendo el gradiente hidráulico (de zonas altas hacia zonas bajas) y, con el tiempo, alimenta a ríos, lagos y océanos al descargar en ellos. Esta contribución sostenida se denomina flujo base o caudal de base de los ríos. Durante los periodos sin lluvias, el flujo base mantiene las corrientes activas; en épocas secas, muchos ríos dependen completamente de la descarga de acuíferos para no secarse.

En este proceso, el nivel freático (línea que marca la superficie del agua subterránea) puede estar por encima del cauce, permitiendo que el agua subterránea ingrese al arroyo como escorrentía base que mantiene el caudal permanente incluso entre tormentas. Este comportamiento es típico de un río efluente o ganador, alimentado por el acuífero subyacente. Por el contrario, cuando el nivel freático está muy bajo, el río puede perder agua por infiltración (río influyente o perdedor), contribuyendo a recargar el acuífero local.

Los estudios hidrológicos tradicionales a veces simplifican el ciclo hidrológico considerando la infiltración solo como una «pérdida» de agua superficial, sin modelar el destino de esa agua infiltrada. Sin embargo, la realidad es que una fracción importante de la precipitación infiltrada regresa eventualmente a la red de drenaje, bien sea alimentando manantiales, humedales o incorporándose gradualmente al caudal de los ríos. Investigaciones hidroquímicas e isotópicas han cuantificado esta conexión: durante crecidas significativas, entre un tercio y hasta dos tercios del caudal pico de un río puede provenir del aporte subterráneo pre-evento. En climas húmedos o cuencas de alta permeabilidad, el caudal base anual suele representar un porcentaje elevado (>50%) del volumen total escurrido del río, evidenciando la necesidad de incluir los procesos de recarga y descarga de acuíferos en el balance hídrico.

En estudios hidrológicos: ¿cuándo incluir el flujo subterráneo?

En la modelación hidrológica (estimación de escorrentía, balances hídricos y recursos de agua) se recomienda considerar las aguas subterráneas en múltiples escenarios:

1. Cuencas con aporte de base significativo

Si la cuenca presenta ríos perennes alimentados por acuíferos, zonas de manantiales o humedales, es vital representar el componente subterráneo. En estas cuencas, el caudal de estiaje y la respuesta hídrica tras lluvias dependen de la descarga desde el acuífero. Ignorar este aporte puede llevar a subestimar caudales mínimos y mal calibrar modelos continuos. Como se mencionó anteriormente, estudios recientes indican que el flujo base global es de aproximadamente 59% del caudal total, cifra que en algunas cuencas puede ser aún mayor. Los modelos lluvia-escorrentía de simulación continua (p.ej. modelos tipo tanque, HBV, VIC, SWAT, HEC-HMS en modo continuo) incorporan uno o varios reservorios de agua subterránea para reproducir la generación de flujo base durante periodos sin precipitación.

2. Eventos largos o secuencias de tormentas

Cuando se analiza un evento de lluvia prolongado o varias tormentas encadenadas, el suelo puede saturarse y el nivel freático ascender cerca de la superficie. En estas condiciones, la escorrentía subsuperficial (flujo hipodérmico) y eventualmente el afloramiento directo del agua freática pueden incrementar el caudal superficial rápidamente. Este fenómeno se conoce como saturación por ascenso del nivel freático y suele ocurrir en valles o áreas planas con nivel freático somero. Modelos de transformación lluvia-caudal que consideran este mecanismo (como el concepto de área variable contributiva) son preferibles en zonas donde la lluvia intensa eleva el nivel freático local.

3. Regiones kársticas o de alta permeabilidad

En terrenos kársticos (calizas cavernosas) y cuencas con suelos arenosos o muy permeables, gran parte de la lluvia se infiltra rápidamente al subsuelo. Aquí, los ríos pueden ser intermitentes o efímeros, perdiendo caudal hacia el acuífero a lo largo de su recorrido. Es imprescindible representar este acoplamiento superficie-subsuelo para estimar correctamente pérdidas por infiltración y emergencias de agua (resurgencias) río abajo. En cuencas kársticas es común que existan conexiones subterráneas entre subcuencas (agua que se infiltra en una zona puede reaparecer en otra cuenca vía conductos subterráneos), lo cual rompe los supuestos de separación de cuencas superficiales; estos casos requieren un enfoque hidrogeológico integral.

4. Balance hídrico y recursos hídricos a largo plazo

Para evaluaciones de disponibilidad de agua, recarga de acuíferos, impactos del cambio climático o la sostenibilidad de extracciones (pozos), resulta indispensable incluir el componente subterráneo. Los acuíferos actúan como almacenamiento de agua de largo plazo: en años húmedos acumulan excedentes (sube el nivel freático) y en años secos liberan agua para sostener caudales base. Ignorar este efecto puede llevar a conclusiones erróneas sobre la disponibilidad de agua en sequías prolongadas. Las evaluaciones de recursos hídricos integrados (gestión conjunta de aguas superficiales y subterráneas) requieren modelar la recarga de acuíferos, las extracciones por bombeo, y la interacción río-acuífero para estimar disponibilidades totales.

Esto es especialmente crítico en cuencas donde se extrae agua subterránea para riego o abastecimiento urbano, ya que las extracciones fuertes pueden bajar el nivel freático y revertir flujos (convirtiendo ríos efluentes en influentes, que comienzan a perder agua hacia el acuífero). Un caso documentado en la cuenca del Arroyo del Gato (La Plata, Argentina) mostró que la intensa explotación de un acuífero profundizó el nivel freático varios metros, acentuando el carácter influyente del arroyo y reduciendo su caudal base natural.

5. Obras de recarga artificial o drenaje sostenible

En proyectos diseñados para infiltrar agua deliberadamente al subsuelo (por ejemplo, pozos de recarga, zanjas de infiltración, sistemas de drenaje urbano sostenible como trincheras de infiltración), la consideración del acuífero es central. En estos casos se debe analizar la capacidad de infiltración del suelo, la profundidad del nivel freático y la tasa de recarga resultante. Por ejemplo, en el diseño de un pozo de infiltración para aguas pluviales o residuales tratadas, es recomendable mantener al menos 1,2 m de separación entre el fondo del pozo y el nivel freático máximo. Esta distancia de seguridad permite que el suelo actúe como filtro natural, protegiendo la calidad del acuífero antes de que el agua infiltrada se mezcle con las aguas subterráneas circundantes.

En estudios y diseños hidráulicos: ¿cuándo considerar las aguas subterráneas?

En la ingeniería hidráulica aplicada al diseño de estructuras y obras (canales, presas, puentes, sistemas de drenaje), el agua subterránea también juega un papel crítico:

1. Estabilidad de presas de tierra, diques y muros de contención

El flujo de filtración a través o bajo estas estructuras puede comprometer su integridad si no se controla. El agua subterránea que circula por el cuerpo o cimientos de una presa genera presiones hidrostáticas que reducen las tensiones efectivas del suelo (según el principio de Terzaghi) y puede provocar fenómenos de erosión interna (piping) y sifonamiento. Cuando el agua se infiltra por los poros de un dique y arrastra partículas finas del material, puede formar túneles internos que debilitan la estructura —este fenómeno de tubificación es una de las causas más comunes de falla en presas de tierra.

Un caso histórico notable fue la falla de la presa Teton (Idaho, EE.UU., 1976), donde deficiencias en el diseño y tratamiento inadecuado de materiales de fundación altamente permeables llevaron a una erosión interna catastrófica. La presa fue construida sobre toba riolítica soldada altamente fracturada y fisurada en el estribo derecho, con fisuras de hasta 6 pies de ancho que actuaban como vías de flujo de agua. La combinación de suelo loess permeable y fisurado en el núcleo con el tratamiento inadecuado de las fisuras en la roca de fundación permitió que el agua se filtrara y generara erosión interna, causando eventualmente el colapso. El 5 de junio de 1976, con el embalse casi a su capacidad máxima (270 pies de profundidad en la presa), apareció una filtración turbia que desarrolló rápidamente un sumidero en el talud aguas abajo. El embalse completo (303 millones de m³) se drenó en menos de seis horas a más de 28.000 metros cúbicos por segundo, causando 11 muertes y daños estimados en $2 mil millones de dólares.

La investigación posterior determinó que el diseño dependía completamente de zanjas clave llenas de suelos eólicos y una cortina de inyección para el control de filtraciones, sin defensas secundarias. Además, la configuración geométrica de la zanja clave fomentó el arqueamiento, agrietamiento y fractura hidráulica en el relleno quebradizo y erosionable. Este desastre llevó a la creación del programa de Seguridad de Presas del Bureau of Reclamation y a la aprobación de la Ley de Seguridad de Presas en 1978, que estableció estándares más estrictos.

Por todo ello, en el diseño hidráulico-geotécnico de presas y diques se realizan estudios de filtraciones (seepage) utilizando la Ley de Darcy y análisis de redes de flujo, para dimensionar pantallas impermeables, drenes y filtros que mantengan las líneas de flujo subterráneo controladas. Un estudio hidrológico-hidráulico de una presa debe incluir un modelo de flujo subterráneo (por ejemplo, con software de flujo en medios porosos) para verificar que el nivel freático dentro del dique se mantenga bajo control y no genere presiones que induzcan falla. Las normativas de seguridad exigen análisis de filtración en diferentes escenarios de carga (llenado normal, crecida, vaciado rápido) y la instalación de piezómetros para monitorear el nivel del agua en el interior del macizo.

2. Cimentaciones y excavaciones por debajo del nivel freático

En obras civiles hidráulicas, es común tener que excavar o fundar estructuras bajo el nivel del agua subterránea —por ejemplo, la cimentación de un puente en la ribera de un río, una estación de bombeo enterrada, o la construcción de un túnel subfluvial. En tales casos, se debe estudiar el comportamiento del agua subterránea para diseñar sistemas de desagüe y contención. La presencia de agua en excavaciones abiertas puede llevar a inestabilidad de taludes (los poros saturados disminuyen la resistencia del suelo al corte) y a la necesidad de bombeo continuo para mantener la obra seca.

Un caso típico es la instalación de sistemas de well-points o pozos de abatimiento del nivel freático alrededor de una excavación profunda: el ingeniero debe calcular cuánto bajar el nivel del agua y a qué caudal de bombeo, lo que implica realizar un análisis hidrogeológico (ecuación de Darcy, radio de influencia, coeficientes de permeabilidad) para garantizar que la excavación no se inunde. Además, sin un estudio adecuado, podría ocurrir levantamiento de la losa de fondo por empuje hidrostático si se libera la contención. Por tanto, en cualquier proyecto hidráulico que involucre trabajos subterráneos o bajo el nivel freático, es imprescindible modelar el flujo de agua subterránea para diseñar medidas de control: pantallas impermeables temporales, drenajes aliviaderos, bombas de achique, etc.

3. Pérdidas por infiltración en canales, tuberías y embalses

En hidráulica de canales, si el conducto es no revestido (de tierra) o el embalse se asienta sobre suelos permeables, una porción del caudal transportado se infiltra hacia el terreno. Estas pérdidas por infiltración no solo representan una disminución de eficiencia (agua no aprovechada en destino), sino que pueden elevar el nivel freático en zonas adyacentes, provocando problemas de encharcamiento o salinización de suelos agrícolas. Cuando se proyecta un canal de riego sobre terreno permeable, se requiere un estudio hidrogeológico para cuantificar la tasa de percolación y, si las pérdidas resultan significativas, justificar revestimientos o la inclusión de drenes paralelos.

Del mismo modo, en tuberías enterradas (especialmente alcantarillados sanitarios), si el nivel freático es alto, puede ocurrir infiltración inversa: agua subterránea entrando al conducto a través de juntas o fisuras, sobrecargando la capacidad de la red de drenaje. Para los embalses, el flujo subterráneo alrededor puede causar tanto pérdidas de agua como riesgo geotécnico: la filtración bajo un vertedero lateral o dique auxiliar podría socavar la estructura si no se incluye una pantalla impermeable. Actualmente todo diseño de presa requiere un análisis de filtraciones en su estudio hidráulico, evaluando variantes de cimentación e incorporando elementos de control de aguas subterráneas (colchón drenante, filtros, tapones o inyección de lechada) para asegurar la estanqueidad.

4. Interacción río-acuífero en crecidas e inundaciones

Aunque las crecidas súbitas se dominan por el escurrimiento superficial, en algunos escenarios la interacción con el acuífero subyacente puede amortiguar o agravar la inundación. En llanuras aluviales extensas con suelos porosos, una parte del volumen de inundación se infiltra al subsuelo, reduciendo ligeramente las láminas de agua en superficie (funcionando el acuífero como «sumidero temporal»). Sin embargo, si la crecida es sostenida o el acuífero ya está lleno (nivel freático alto tras lluvias previas), el terreno pierde capacidad de absorción y la inundación se vuelve más severa.

Modelos hidráulicos bidimensionales acoplados con módulos de infiltración (o modelos de filtración transitoria en el suelo) permiten estimar este efecto. Considerar la saturación inicial del suelo y el nivel freático es esencial en estudios de mapas de inundabilidad y obras de control de inundaciones, para dimensionar adecuadamente diques o estimar tiempos de recesión de las láminas de agua (que dependen de la drenabilidad del terreno y flujo subterráneo de retorno al río).

5. Protección de acuíferos y control de contaminación

En proyectos como vertederos, balsas de decantación o cualquier estructura que contenga agua potencialmente contaminada, el estudio hidráulico debe incorporar el análisis del flujo subterráneo para evitar la migración de contaminantes. Esto se logra estableciendo barreras hidráulicas (mantos impermeables, cortinas de inyección, pozos de extracción) basadas en modelación del flujo de agua subterránea. La hidrogeología aplicada permite definir la dirección y velocidad del flujo subterráneo y así optimizar la ubicación de pozos de monitoreo o bombeo de contención.

Conclusiones

Las aguas subterráneas deben considerarse en un estudio hidrológico o hidráulico siempre que su influencia pueda alterar de forma importante el régimen de flujos, la disponibilidad de recursos hídricos o la seguridad de las infraestructuras. Los avances científicos recientes han confirmado que las aguas subterráneas juegan un papel mucho más significativo en el ciclo hidrológico global de lo previamente reconocido, con aproximadamente 59% del caudal global de los ríos proveniente de fuentes subterráneas, y al menos 21% de la precipitación global recargando acuíferos.

Esto ocurre particularmente en cuencas con fuerte interacción superficie-subsuelo, en proyectos donde el nivel freático está próximo (o es perturbado por la obra), y en análisis de largo plazo donde el almacenamiento subterráneo suaviza las variaciones climáticas. Incorporar el componente subterráneo aporta realismo y rigor: permite estimar caudales base con precisión, evaluar pérdidas por infiltración, diseñar medidas contra la filtración dañina en presas y obras civiles, y asegurar la sostenibilidad hídrica protegiendo los acuíferos de sobreexplotación y contaminación.

En la práctica de la ingeniería hidráulica moderna, adoptar un enfoque integrado de aguas superficiales y subterráneas es imprescindible para lograr soluciones más seguras, eficientes y resilientes, su consideración en los estudios garantiza una visión completa del ciclo hidrológico y por ende una mejor toma de decisiones en la gestión y diseño de sistemas hidráulicos.