Regulación de caudales de agua subterráneos en acuíferos de islas volcánicas mediante cierres hidráulicos aprovechando los diques geológicos

La gestión del agua en islas constituye un desafío crítico debido a la limitada disponibilidad de recursos hídricos, la creciente demanda de agua y la vulnerabilidad ante fenómenos naturales y actividades antropogénicas (Global Water Partnership (GWP), 2004; Santamarta et al., 2022). A diferencia de los continentes, las islas suelen carecer de fuentes de agua superficial lo que hace que la disponibilidad de agua dependa en gran medida de acuíferos subterráneos y de la desalación. Sin embargo, estos acuíferos se encuentran expuestos a una serie de amenazas, como la sobreexplotación, la intrusión marina y la contaminación, que reducen su capacidad para abastecer de manera sostenible a la población (Hernández et al., 2018; Rodríguez-Alcántara et al., 2024). La naturaleza aislada de los sistemas insulares limita la viabilidad de soluciones tradicionales como el trasvase de agua de otras cuencas, lo que obliga a implementar estrategias de gestión innovadoras, adaptadas a sus condiciones geológicas y climáticas particulares.

En islas volcánicas, como las del archipiélago canario, la geología del terreno introduce una complejidad adicional. Los acuíferos en estos entornos presentan una heterogeneidad significativa, influenciada por la presencia de diques volcánicos (figura 1), fracturas y capas de diferentes permeabilidades que afectan la distribución y el flujo de agua subterránea (Custodio Gimena, 2020; Santamarta, 2013). Estos acuíferos suelen almacenar agua en la forma de lentes de agua dulce flotando sobre agua salada; sin embargo, la extracción excesiva puede hacer que la interfase entre el agua dulce y el agua salada ascienda, contaminando el agua extraída con sales y reduciendo la calidad del recurso. La vulnerabilidad de estos acuíferos se ve además exacerbada por la heterogeneidad geológica, característica de muchos sistemas insulares, lo que dificulta la predicción y el control de la dinámica del agua subterránea.

El crecimiento de la población y la expansión del turismo en muchas islas han incrementado la presión sobre los recursos hídricos (Gössling & Peeters, 2015). A su vez, el cambio climático exacerba esta problemática, al aumentar la frecuencia y la intensidad de sequías y al elevar el nivel del mar, lo cual acentúa el riesgo de intrusión salina en los acuíferos costeros. En este contexto, asegurar un suministro de agua fiable y de buena calidad se ha convertido en una prioridad tanto para las autoridades locales como para la comunidad científica, que explora soluciones innovadoras para la gestión de los recursos hídricos en entornos insulares (J. Comte et al., 2010; Ríos et al., 2023).

El presente artículo revisa y analiza las problemáticas específicas de la gestión del agua en islas, con un enfoque en la regulación del agua subterránea a través del aprovechamiento de características geológicas, como los diques volcánicos, para prevenir la salinización y asegurar la sostenibilidad del recurso. Además, analiza la práctica de la ingeniería de diques mediante la producción de cierres de hormigón armado en las galerías, como técnica de almacenamiento en el propio macizo rocoso y regulación del aprovechamiento del recurso.

Los cierres hidráulicos, 'tranques' en la terminología de las Islas Canarias, conforman sistemas artificiales que se instalan en galerías de agua (figura 2) con el objetivo de recuperar el nivel freático que se tenía originalmente antes de la realización de la captación. En teoría, puede cerrarse o restituirse cualquier formación impermeable de características hidrogeológicas y espesor adecuados (Santamarta, 2017), es decir, que tuviera agua detrás de estas y fuera impermeable como los diques volcánicos. En la práctica, solo los diques volcánicos,  han demostrado, por el momento, ser eficientes para la recuperación de niveles y que se acumule agua de manera importante (Santamarta, 2009).

De cara a estudiar la explotación de un acuífero atravesado por diques geológicos, la transmisividad es clave, ya que, según la dirección de esos diques, el nivel freático del acuífero adoptará forma escalonada y podremos determinar la dirección de la galería para que sea lo más productiva posible (El-Naqa, 1994). Esto se debe a la compartimentación que imponen los diques al acuífero, provocando que el agua no pueda fluir libremente y al hacer uso de los cierres hidráulicos podemos gestionar esos caudales, como es el caso del Pozo Galería Los Padrones en la isla de El Hierro (Canarias), figura 3.

Podemos diferenciar cinco fases en la ejecución de un cierre hidráulico (Santamarta et al. 2010):

1. Estudio hidrogeológico: En esta primera etapa, se analiza si es posible restablecer el nivel freático de la galería. Además, se identifica el punto óptimo para planificar y proyectar la construcción del cierre hidráulico, de manera que su ubicación sea lo más favorable posible.
2. Elaboración del proyecto de cierre: En esta fase, se estudian diversas alternativas de construcción y se justifica la solución elegida. También se procede a describir y calcular las dimensiones de las obras necesarias para realizar el cierre de manera efectiva.
3. Preparación de los trabajos: Aquí se efectúan tareas como la excavación, limpieza y adecuación tanto del dique como del terreno adyacente, con el objetivo de garantizar su estanqueidad. Adicionalmente, se realiza la canalización del flujo de agua de la galería.
4. Realización del cierre: Esta etapa implica la construcción propiamente dicha del cierre, siguiendo las especificaciones y el diseño establecidos en el proyecto.
5. Pruebas y verificaciones: Finalmente, se llevan a cabo pruebas para asegurar que el cierre funcione correctamente y para observar cómo afecta al comportamiento del acuífero. Esta fase es esencial para confirmar que el cierre cumple con los objetivos establecidos y se integra de forma segura en el entorno hidrogeológico.

Este proceso asegura la efectividad del cierre y minimiza los riesgos ambientales o estructurales. Conviene instrumentar la obra para evaluar presiones tras el cierre hidráulico u otros parámetros.

• El Hierro, Islas Canarias

Estudios recientes (Marazuela et al., 2023), en acuíferos de la isla de El Hierro, revelan que los diques volcánicos afectan la geometría de la interfase salina, generando compartimentos que favorecen la acumulación de agua dulce en las zonas interiores. Estas barreras naturales producen un gradiente hidráulico escalonado y un mayor almacenamiento de agua dulce en áreas alejadas de la costa, lo que, a su vez, previene la intrusión de agua marina en los pozos de extracción cercanos a estas formaciones.

• Valle de Lagan, Irlanda del Norte

En este estudio (J. C. Comte et al., 2017) se demuestra que los diques volcánicos de baja permeabilidad actúan como barreras relativas, afectando significativamente el flujo de agua subterránea y la intrusión de agua salada en acuíferos costeros complejos, lo que permite calibrar con mayor precisión modelos de flujo tridimensionales. Mediante un enfoque integrado que combina estudios geofísicos (magnéticos y de resistividad) y monitoreo de agua subterránea, se logró comprender mejor la estructura y propiedades del acuífero, proporcionando datos esenciales para construir y calibrar un modelo que refleja las condiciones reales. Las simulaciones confirman que los diques dividen el acuífero en unidades con caminos de flujo preferenciales paralelos a los diques, diferenciando el flujo de agua dulce y salada en cada lado, lo cual ayuda a entender la influencia de los diques en la distribución de agua y salinidad dentro del sistema acuífero.

• Piton de la Fournase, Isla Reunión

En la isla de Reunión, los modelos hidrogeológicos (Join et al., 2005) han generado controversia debido a la complejidad de los acuíferos en el interior de la isla y a la limitada accesibilidad para perforaciones a gran altitud. La mayor parte de los pozos se encuentra en la franja costera, donde el nivel de agua subterránea está cerca del nivel del mar. Los modelos anteriores para Piton de la Fournaise sugieren un acuífero basal restringido a la costa, sin extensas formaciones acuíferas en altitudes mayores y caracterizado por sistemas de flujo controlados por diques. Estos modelos, basados en el tipo “convencional hawaiano”, presentan una distribución binaria de conductividad hidráulica que no toma en cuenta variaciones dentro del terreno volcánico.

• Valle de Makaha, Hawái, Estados Unidos

El estudio (Mair & Fares, 2011) destaca la crucial dependencia de las islas oceánicas sobre los acuíferos subterráneos para su abastecimiento de agua potable, subrayando los riesgos que la sobreexplotación de estos recursos implica. En el caso de la isla de O‘ahu, la extracción excesiva de agua ha reducido significativamente el flujo permanente del arroyo Makaha, afectando tanto al ecosistema acuático como a la agricultura local. La investigación presenta un modelo conceptual que explica cómo los diques naturales en la cuenca contribuyen a la acumulación y descarga de agua hacia los ríos, pero que, con la sobreexplotación, provoca una drástica disminución del flujo hacia el arroyo.

La gestión de los recursos hídricos en entornos insulares, especialmente en islas volcánicas, es compleja debido a la dependencia de acuíferos subterráneos, la ausencia de fuentes de agua superficial, y los desafíos que plantean fenómenos como la intrusión salina y la contaminación. Este informe evidencia que los cierres hidráulicos son una estrategia eficaz para enfrentar estos desafíos, permitiendo regular y aprovechar de manera sostenible los recursos hídricos subterráneos. A través de los estudios de caso en islas como El Hierro, Isla Reunión y Hawái, se destaca la importancia de los cierres en la regulación de caudales y en la protección del agua almacenada en acuíferos compartimentados por diques volcánicos.

La implementación de cierres hidráulicos aporta diversas ventajas clave para la gestión de los recursos hídricos en estos entornos. En primer lugar, los cierres permiten regular el flujo de agua, evitando los excedentes de invierno y aumentando la disponibilidad de agua para riego en verano, lo cual es esencial para satisfacer la demanda en períodos críticos. Además, esta tecnología reduce la necesidad de construir embalses superficiales, disminuyendo así los costos económicos y ambientales, ya que los embalses en superficie suelen ser más costosos y tienen un impacto mayor en el entorno. Esto representa una ventaja significativa en las islas, donde los espacios para infraestructuras de almacenamiento son limitados.

Asimismo, los cierres contribuyen a minimizar el riesgo de contaminación de los recursos hídricos, ya que protegen el agua almacenada en los acuíferos y aseguran un recurso de mejor calidad tanto para el consumo humano como para el uso agrícola. Otro beneficio relevante es la mejora en el conocimiento hidrogeológico de los acuíferos insulares que proporciona la implementación de cierres, permitiendo una gestión más precisa y sostenible de estos recursos. Este conocimiento es crucial para desarrollar modelos hidrogeológicos que permitan anticipar y mitigar problemas como la salinización de los acuíferos.

Por último, los cierres favorecen la recuperación y fortalecimiento de caudales ecológicos y estacionales, al promover la recuperación de los flujos de nacientes naturales y al aumentar los caudales ecológicos durante el verano, lo cual beneficia tanto a los ecosistemas acuáticos como a las actividades agrícolas que dependen de caudales permanentes.

En conclusión, los cierres hidráulicos representan una solución innovadora y adaptada a las condiciones específicas de los acuíferos insulares, contribuyendo a la sostenibilidad de los recursos hídricos en islas volcánicas. Su capacidad para regular caudales, reducir la necesidad de embalses y mejorar la calidad del agua almacenada, junto con la posibilidad de recuperar caudales ecológicos, convierte a los cierres en una herramienta clave para asegurar el acceso al agua en un contexto de creciente demanda y vulnerabilidad climática. La colaboración entre investigadores y autoridades es esencial para implementar y optimizar esta técnica, promoviendo la resiliencia hídrica de las comunidades insulares.

Proyecto de investigación 'Geologically Enhanced NaturE-based Solutions for climate change resiliency of critical wáter InfraStructure (GENESIS') de referencia 101157447 financiado por programa marco Horizonte Europa misión HORIZON-MISS- 2023-CLIMA-01-02.

Referencias

• Comte, J., Banton, O., Join, J., & Cabioch, G. (2010). Evaluation of effective groundwater recharge of freshwater lens in small islands by the combined modeling of geoelectrical data and water heads. Water Resources Research, 46(6). https://doi.org/10.1029/2009WR008058
• Comte, J. -C., Wilson, C., Ofterdinger, U., & González-Quirós, A. (2017). Effect of volcanic dykes on coastal groundwater flow and saltwater intrusion: A field-scale multiphysics approach and parameter evaluation. Water Resources Research, 53(3), 2171–2198. https://doi.org/10.1002/2016WR019480
• Custodio Gimena, E. (2020). Hidrogeología y recursos de agua subterránea en formaciones e islas volcánicas : HIRAVOL. CETAQUA Barcelona. https://doi.org/10.5821/ebook-9788498809473
• El-Naqa, A. (1994). Estimation of transmissivity from specific capacity data in fractured carbonate rock aquifer, central Jordan. Environmental Geology, 23(1), 73–80. https://doi.org/10.1007/BF00773142
• Global Water Partnership (GWP). (2004). Catalyzing change : a handbook for developing integrated water resources management (IWRM) and water efficiency strategies. Global Water Partnership Secretariat.
• Gössling, S., & Peeters, P. (2015). Assessing tourism’s global environmental impact 1900–2050. Journal of Sustainable Tourism, 23, 1–21. https://doi.org/10.1080/09669582.2015.1008500
• Hernandez, Y., Guimarães Pereira, Â., & Barbosa, P. (2018). Resilient futures of a small island: A participatory approach in Tenerife (Canary Islands) to address climate change. Environmental Science & Policy, 80, 28–37. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2017.11.008
• Join, J.-L., Folio, J.-L., & Robineau, B. (2005). Aquifers and groundwater within active shield volcanoes. Evolution of conceptual models in the Piton de la Fournaise volcano. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 147(1–2), 187–201. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2005.03.013
• Mair, A., & Fares, A. (2011). Time series analysis of daily rainfall and streamflow in a volcanic dike-intruded aquifer system, O‘ahu, Hawai‘i, USA. Hydrogeology Journal, 19(4), 929–944. https://doi.org/10.1007/s10040-011-0740-3
• Marazuela, M. Á., Baquedano, C., Cruz-Pérez, N., Martínez-León, J., Laspidou, C., Santamarta, J. C., & García-Gil, A. (2023). Dyke-impounded fresh groundwater resources in coastal and island volcanic aquifers: Learning from the Canary Islands (Spain). Science of The Total Environment, 899, 165638. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.165638
• Ríos, I. H., Cruz-Pérez, N., Chirivella-Guerra, J. I., García-Gil, A., Rodríguez-Alcántara, J. S., Rodríguez-Martín, J., Marazuela, M. Á., & Santamarta, J. C. (2023). Proposed recharge of island aquifer by deep wells with regenerated water in Gran Canaria (Spain). Groundwater for Sustainable Development, 22, 100959. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2023.100959
• Rodríguez-Alcántara, J. S., Contreras-Llin, A., Cruz-Pérez, N., García-Gil, A., Baquedano, C., Marazuela, M. Á., Diaz-Cruz, M. S., León, J. M., & Santamarta, J. C. (2024). Presence of microplastics in the groundwater of volcanic islands, El Hierro and La Palma (Canary Islands). Journal of Contaminant Hydrology, 263, 104340. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2024.104340
• Santamarta, J. C. (2013). Hidrología y Recursos Hídricos en Islas y Terrenos Volcánicos: Métodos, Técnicas y Experiencias en las Islas Canarias. Colegio de Ingenieros de Montes. https://doi.org/https://doi.org/10.13140/RG.2.1.4464.5608
• Santamarta, J. C. (2009). La minería del agua en el archipiélago canario. Revista de La Sociedad Española Para La Defensa Del Patrimonio Geológico y Minero, 12, 1–8.
• Santamarta, J. C., Rodríguez-Martín, J., Poncela, R., Fontes, J. C., Lobo de Pina, A., & Cruz-Pérez, N. (2022). Integrated Water Resource Management in the Macaronesia. International Review of Civil Engineering (IRECE), 13(4), 290. https://doi.org/10.15866/irece.v13i4.21523
• Santamarta J.C., Hernández L.E., & Rodriguez-Losada J.A.. (2010). Volcanic dikes engineering properties for storing and regulation of the underground water resources in volcanic islands. ISRM International Workshop on Rock Mechanics and Geoengineering in Volcanic Environments 2010, IWVE 2010, 95-98.
• Santamarta, J. C. (2017). Tratado de minería de recursos hídricos en islas volcánicas oceánicas. Colegio Oficial de Ingenieros de Minas del Sur de España.