La intrusión salina es un proceso natural que ocurre en las costas, donde el agua de mar penetra tierra adentro en los acuíferos costaneros en proporción a la inter-relación de varios factores. Estos factores incluyen la porosidad de las rocas y/o los suelos en la costa; el espesor de la capa de agua fresca en los acuíferos costaneros; las mareas; y la extracción de agua fresca mediante pozos. En zonas donde las rocas en la costa son de origen volcánico de baja porosidad y pocas fracturas, o barros consolidados impermeables, el agua del mar no penetra tierra adentro. En costas donde los acuíferos son formados por rocas porosas como las calizas, o mezclas de arena y grava (aluvión), el agua de mar penetra tierra adentro en proporción al espesor de la capa de agua fresca cerca del mar. En acuíferos costaneros donde no se extrae agua subterránea en exceso a la que se infiltra o recarga a los acuíferos, la cuña de agua salobre se mantiene en un equilibrio controlado por las mareas y la porosidad de las rocas. La cuña de agua salina también penetra tierra adentro por el cauce de los ríos en valles costaneros cuando la pendiente del fondo del cauce es mínima y la boca del río está abierta al mar. En Puerto Rico la intrusión salina ocurre tanto por las costas (natural e inducida), así como por la desembocadura de los ríos en la Región Norte.

El avance del agua de mar tierra adentro en acuíferos donde esto ocurre obedece a las diferencias en densidad entre el agua fresca y el agua salina. El agua salina es más densa que la fresca, con una densidad de 1.025 gramos por centímetro cúbico (g/cm3) en comparación con 1.00 g/cm3 para el agua fresca. Debido a su menor densidad, el agua fresca en los acuíferos costaneros tiende a “flotar” sobre la capa de agua salina o salobre. La elevación del manto freático sobre el nivel del mar determina el espesor de la capa o lente de agua fresca en el acuífero. Esta relación es definida matemáticamente por el principio denominado “Ghyben-Herzberg”, por los científicos que lo determinaron. La ecuación matemática que define la relación es:

La resolución de esta ecuación establece que la capa de agua fresca en las zonas costaneras de la Isla se extiende a una elevación bajo el nivel del mar (hs) 40 veces la altura (hf) del manto freático sobre el nivel del mar. En la práctica, por cada pie de reducción en la elevación del manto freático de un acuífero costanero donde la intrusión salina natural ocurre, la elevación de la cuña de agua salina aumenta 40 pies. En la zona donde se extrae el agua se forma un cono de depresión del manto freático alrededor del pozo opozos induciendo el movimiento vertical de la cuña de agua salada.  

Previo al desarrollo sin controles de los acuíferos costaneros en la Isla, los niveles freáticos mantenían un equilibrio dinámico. Este equilibrio era controlado por la recarga inducida por la lluvia y la escorrentía, y las descargas naturales a manantiales, ríos, humedales y lagunas costaneras, y al mar. Una vez comenzó su desarrollo para el riego de caña de azúcar a principios del Siglo 20, el equilibrio natural entre las capas de agua fresca y salina se interrumpió. Los niveles freáticos comenzaron a descender en el Acuífero Superior (anteriormente “Freático” o “Llano) de la Región Norte y los acuíferos aluviales de la Región Sur a medida que las extracciones de agua subterráneas en los valles costaneros comenzaron a exceder la recarga natural. La posición de la cuña de agua de mar comenzó a avanzar tierra adentro hasta alcanzar un nuevo equilibrio definido por el principio anterior. En el 2000, en el Acuífero Llano de la Región del Norte el avance tierra adentro ha logrado que la cuña de agua salada se eleve de 12 a 15 pies en la vecindad de Vega Alta, a 6 millas de la costa. Condiciones similares prevalecen desde Toa Baja hasta Barceloneta. En los acuíferos aluviales de la Región Sur, el avance de la cuña de agua de mar varía con la localización debido a las propiedades de las rocas. En el Acuífero de Patillas-Guayama, la cuña de agua salada se encuentra a 100 pies bajo tierra (en fracturas de rocas volcánicas) y ha penetrado 1.9 millas tierra adentro. Desde Salinas hasta Coamo el espesor saturado del acuífero debido a la geología local hace que aunque la cuña de agua salada se encuentre 2 millas tierra adentro, la misma se localiza a 250 pies bajo tierra. En el Acuífero de Juana Díaz-Ponce la cuña de agua salada se encuentra cerca de 200 pies bajo tierra avanzando solo una (1) milla tierra adentro. Hacia el oeste, hasta el Valle de Lajas prevalecen condiciones variables dependiendo del abanico aluvial que forme los acuíferos en cada zona, pero en general se observan avances de la cuña de agua de mar de 0.6 a 4.4 millas tierra adentro.

En la Región Sur se experimenta el mismo fenómeno de intrusión salina natural inducido por altas porosidades y tasas elevadas de conducción de agua de los acuíferos (transmisividad). Los acuíferos de la Región Sur son formados por depósitos aluviales de alta porosidad, donde el manto freático también exhibe pendientes relativamente bajas. Esto induce el mismo efecto que en la Región Norte, donde una cuña de agua salada penetra tierra adentro hasta varias millas en algunos sectores desde Guayama hasta la vecindad de Ponce. El exceso de extracciones de agua fresca en los acuíferos de la Región Sur ha inducido intrusión salina en sectores de Patillas hasta Ponce, pero principalmente en la zona de Guayama. 

La intrusión salina horizontal estimada en los acuíferos principales en Puerto Rico se ilustra en la siguiente figura. Estos estimados se basan en los datos disponibles en el 2005. La recuperación de un acuífero afectado por intrusión salina puede tomar décadas y hasta cientos de años (dependiendo de la permeabilidad de las rocas o materiales que lo forman y la recarga neta al acuífero). Las lluvias abundantes en los útimos tres años en Puerto Rico pueden haber inducido cambios en la posición de la cuña de agua salada. Sin embargo, en vista de que las extracciones de agua de los acuíferos no se han reducido significativamente, el efecto neto de estas lluvias y recarga será temporero.  .

Lugo, A. y García Martinó, IITF, USFS, 1996 donde,

• hs  es el espesor de la capa de agua fresca epresentado por la profundidad del manto freático bajo el nivel del mar,

• ρf  es la densidad del agua fresca,

• ρs  es la densidad del agua salina, y

• hf  es la elevación del manto freático sobre el nivel del mar

La intrusión salina puede también ocurrir localmente debido al bombeo excesivo de un pozo que penetra el acuífero en las cercanías de la zona de interfase. Cuando el pozo comienza a bombearse, el nivel freático en sus alrededores declina en proporción a la conductividad hidráulica (K) de las rocas o depósitos no-consolidados que forman el acuífero. Este proceso forma un cono de depresión local del freático alrededor del pozo. Si el valor de K es relativamente bajo y el pozo es profundo, o el pozo es bombeado en exceso de su rendimiento seguro, eventualmente el cono alcanza la zona de interfase, y el agua salobre comienza a "levantarse" hacia la camisilla del pozo, formando un cono inverso de agua salobre. Este proceso (ilustrado a la derecha) se conoce como "upconing", y generalmente es reversible una vez que el bombeo del pozo se reduce o detiene. Sin embargo, si el pozo continúa bombeándose 24 horas al día (como ocurre con la mayor parte de los pozos en la Isla), y coincide con períodos de recarga mínima que induce avances de la cuña salina, la intrusión salina puede ser irreversible.

Modificado de Custodio y Llamas, 1983

DRNA, 2006

En la Región Norte, desde el Río Guajataca cerca de Quebradillas hasta el Río Mameyes, en varios de los ríos principales la cuña de agua de mar penetra tierra adentro a través del canal del cauce. Esta intrusión salina significativa ocurre en la parte baja de los ríos Guajataca, Camuy, Arecibo, Manatí, Cibuco, La Plata, Hondo, Bayamón, Loíza, Grande, Herrera, Espíritu Santo, Mameyes y Fajardo. En el período de sequía, normalmente desde enero hasta abril, la escorrentía en estos cauces es mínima. Cuando el nivel de las mareas aumenta en elevación en su ciclo mensual y anual, el agua salina del Atlántico es empujada desde la desembocadura de estos ríos aguas arriba en proporción al flujo en el río y la pendiente del cauce. En los valles costaneros de la Región Norte, la pendiente de los cauces es mínima al norte de las carreteras PR-2 (oeste de Bayamón) y PR-3 (al este de San Juan). 

• Al este de Arecibo hasta Bayamón los valles aluviales costaneros se extienden hasta 5 millas de sur a norte. En los ríos Grande de Arecibo, Grande de Manatí, Cibuco, Grande de La Plata, Hondo y Bayamón, la cuña de agua salada penetra durante el período de sequía tierra adentro hasta dos millas (Rio Grande de Manatí), y distancias menores en los otros ríos. Una vez comienzan las lluvias en mayo, la escorrentía de agua fresca desplaza la cuña hasta el mar. En los ríos Grande de Arecibo, Grande de Manatí, y Cibuco, el oleaje forma bancos de arena en la boca de estos ríos, creando una barrera que puede aislar el cauce del mar durante la época de sequía. Si la barrera de arena no es removida por crecientes o manualmente (como ocurre en Arecibo y Manatí), la cuña no penetra tierra adentro aún en la época de sequía. 

• Al este de San Juan hasta Rio Grande, depositos marinos mezclados con aluvión forman valles menos anchos por donde descienden hacia el mar los ríos Grande de Loíza, Grande, Espíritu Santo, Herrera, Mameyes y Luquillo. El cauce de estos ríos también exhibe pendientes leves, lo que promueve el avance de la cuña de agua salina aguas arriba. En el Río Grande de Loíza y el Río Espíritu Santo la cuña de agua salina penetra hasta la vecindad de la PR-3.  

• Avances menores de la cuña de agua salina se observan en el Río Grande, el Río Mameyes, y el Río Fajardo hacia el este.

El avance de la cuña de agua salina aguas arriba en los valles de la Región Norte, en combinación con pozos o conductos naturales en las rocas calizas, puede promover intrusión salina lateral en los acuíferos de esta región. Es posible que parte de los problemas de intrusión salina acelerada en los valles aluviales entre el Río Grande de La Plata en Dorado y el Río Cibuco en Vega Alta, y entre el Río Grande de Manatí en Manatí y el Río Grande de Arecibo en Arecibo, se deban en parte a esta interacción entre pozos cercanos a sus cauces. Estos pozos crean conos de depresión que pueden inducir el movimiento de agua salina de estos ríos hacia el Acuífero Superior. La ubicación de estos ríos en los valles del norte se ilustra en las siguientes figuras, donde la penetración medida o estimada de la cuña de intrusión salina en los ríos principales se indica en rojo.