Agua subterránea

Agua situada debajo de la superficie del suelo.
Una ilustración que muestra el agua subterránea en los acuíferos (en azul) (1, 5 y 6) debajo del nivel freático (4), y tres pozos diferentes (7, 8 y 9) excavados para llegar a ella.

El agua subterránea es el agua presente debajo de la superficie de la Tierra en los espacios porosos de las rocas y el suelo y en las fracturas de las formaciones rocosas . Alrededor del 30 por ciento de toda el agua dulce fácilmente disponible en el mundo es agua subterránea. [1] Una unidad de roca o un depósito no consolidado se llama acuífero cuando puede producir una cantidad utilizable de agua. La profundidad a la que los espacios porosos del suelo o las fracturas y los huecos en la roca se saturan completamente con agua se llama nivel freático . El agua subterránea se recarga desde la superficie; puede descargarse desde la superficie de forma natural en manantiales y filtraciones , y puede formar oasis o humedales . El agua subterránea también se extrae a menudo para uso agrícola , municipal e industrial mediante la construcción y operación de pozos de extracción . El estudio de la distribución y el movimiento del agua subterránea es la hidrogeología , también llamada hidrología de las aguas subterráneas .

Por lo general, se considera que el agua subterránea es el agua que fluye a través de acuíferos poco profundos , pero, en el sentido técnico, también puede contener humedad del suelo , permafrost (suelo congelado), agua inmóvil en lechos rocosos de muy baja permeabilidad y agua de formación geotérmica o petrolífera profunda . Se plantea la hipótesis de que el agua subterránea proporciona lubricación que posiblemente pueda influir en el movimiento de las fallas . Es probable que gran parte del subsuelo de la Tierra contenga algo de agua, que puede estar mezclada con otros fluidos en algunos casos.

El agua subterránea suele ser más barata, más conveniente y menos vulnerable a la contaminación que el agua superficial . Por lo tanto, se utiliza comúnmente para el suministro público de agua. Por ejemplo, el agua subterránea proporciona la mayor fuente de almacenamiento de agua utilizable en los Estados Unidos , y California extrae anualmente la mayor cantidad de agua subterránea de todos los estados. [2] Los reservorios subterráneos contienen mucha más agua que la capacidad de todos los reservorios superficiales y lagos en los EE. UU., incluidos los Grandes Lagos . Muchos suministros de agua municipales se derivan únicamente del agua subterránea. [3] Más de 2 mil millones de personas dependen de ella como su principal fuente de agua en todo el mundo. [4]

El uso humano de las aguas subterráneas causa problemas ambientales. Por ejemplo, las aguas subterráneas contaminadas son menos visibles y más difíciles de limpiar que la contaminación de los ríos y lagos. La contaminación de las aguas subterráneas suele ser consecuencia de la eliminación inadecuada de los desechos en la tierra. Las principales fuentes incluyen los productos químicos industriales y domésticos y los vertederos de basura , el exceso de fertilizantes y pesticidas utilizados en la agricultura, las lagunas de desechos industriales, los relaves y las aguas residuales de los procesos de las minas, el fracking industrial , los pozos de salmuera de los yacimientos petrolíferos, las fugas en los tanques y tuberías de almacenamiento de petróleo subterráneos, los lodos de depuradora y los sistemas sépticos . Además, las aguas subterráneas son susceptibles a la intrusión de agua salada en las zonas costeras y pueden provocar el hundimiento de la tierra cuando se extraen de forma insostenible, lo que lleva al hundimiento de ciudades (como Bangkok ) y a la pérdida de elevación (como los múltiples metros perdidos en el Valle Central de California ). Estos problemas se complican aún más por el aumento del nivel del mar y otros efectos del cambio climático , en particular los relacionados con el ciclo del agua . La inclinación axial de la Tierra se ha desplazado 31 pulgadas debido al bombeo humano de las aguas subterráneas. [5] [6] [7]

Definición

El agua subterránea es agua dulce que se encuentra en los poros del subsuelo y las rocas . También es agua que fluye dentro de los acuíferos por debajo del nivel freático . A veces es útil hacer una distinción entre el agua subterránea que está estrechamente asociada con el agua superficial y el agua subterránea profunda en un acuífero (llamada " agua fósil " si se infiltró en el suelo hace milenios [8] ).

Papel en el ciclo del agua

Balance hídrico
Dzherelo, una fuente común de agua potable en un pueblo ucraniano

Las aguas subterráneas pueden considerarse en los mismos términos que las aguas superficiales : entradas, salidas y almacenamiento. La entrada natural de las aguas subterráneas es la filtración de las aguas superficiales. Las salidas naturales de las aguas subterráneas son los manantiales y la filtración a los océanos. Debido a su lento ritmo de renovación, el almacenamiento de las aguas subterráneas es generalmente mucho mayor (en volumen) en comparación con las entradas que en el caso de las aguas superficiales. Esta diferencia hace que sea fácil para los seres humanos utilizar las aguas subterráneas de forma insostenible durante mucho tiempo sin consecuencias graves. Sin embargo, a largo plazo, la tasa media de filtración por encima de una fuente de agua subterránea es el límite superior del consumo medio de agua de esa fuente.

El agua subterránea se repone naturalmente a través del agua superficial proveniente de las precipitaciones , arroyos y ríos cuando esta recarga alcanza el nivel freático. [9]

Las aguas subterráneas pueden ser un " reservorio " de largo plazo del ciclo natural del agua (con tiempos de residencia que van desde días hasta milenios), [10] [11] a diferencia de los reservorios de agua de corto plazo como la atmósfera y el agua dulce superficial (que tienen tiempos de residencia que van desde minutos hasta años). Las aguas subterráneas profundas (que están bastante alejadas de la recarga superficial) pueden tardar mucho tiempo en completar su ciclo natural.

La Gran Cuenca Artesiana , en el centro y este de Australia , es uno de los sistemas de acuíferos confinados más grandes del mundo, con una extensión de casi 2 millones de km2 . Al analizar los oligoelementos presentes en el agua extraída de las profundidades subterráneas, los hidrogeólogos han podido determinar que el agua extraída de estos acuíferos puede tener más de un millón de años.

Al comparar la edad de las aguas subterráneas obtenidas de diferentes partes de la Gran Cuenca Artesiana, los hidrogeólogos han descubierto que su edad aumenta a lo largo de la cuenca. Allí donde el agua recarga los acuíferos a lo largo de la Divisoria Oriental , las edades son jóvenes. A medida que el agua subterránea fluye hacia el oeste a través del continente, aumenta su edad, y las aguas subterráneas más antiguas se encuentran en las partes occidentales. Esto significa que, para haber recorrido casi 1000 km desde la fuente de recarga en 1 millón de años, el agua subterránea que fluye a través de la Gran Cuenca Artesiana viaja a una velocidad promedio de aproximadamente 1 metro por año.

Recarga de aguas subterráneas

La recarga de aguas subterráneas o el drenaje profundo o la percolación profunda es un proceso hidrológico , donde el agua se mueve hacia abajo desde el agua superficial al agua subterránea. La recarga es el método principal a través del cual el agua ingresa a un acuífero . Este proceso generalmente ocurre en la zona vadosa debajo de las raíces de las plantas y a menudo se expresa como un flujo hacia la superficie del nivel freático . La recarga de aguas subterráneas también abarca el agua que se aleja del nivel freático hacia la zona saturada. [12] La recarga ocurre tanto de forma natural (a través del ciclo del agua ) como a través de procesos antropogénicos (es decir, "recarga artificial de aguas subterráneas"), donde el agua de lluvia y/o el agua recuperada se dirigen al subsuelo.

Los métodos más comunes para estimar las tasas de recarga son: balance de masa de cloruro (CMB); métodos de física del suelo; trazadores ambientales e isotópicos; métodos de fluctuación del nivel de agua subterránea; métodos de balance hídrico (WB) (incluidos los modelos de agua subterránea (GM)); y la estimación del flujo base (BF) a los ríos. [13]

Ubicación en acuíferos

Esquema de un acuífero que muestra zonas confinadas, tiempos de recorrido del agua subterránea, un manantial y un pozo
Un acuífero es una capa subterránea de material portador de agua , que consiste en roca permeable o fracturada, o de materiales no consolidados ( grava , arena o limo ). Los acuíferos varían mucho en sus características. El estudio del flujo de agua en los acuíferos y la caracterización de los acuíferos se llama hidrogeología . Los términos relacionados incluyen acuitardo, que es un lecho de baja permeabilidad a lo largo de un acuífero, y acuicludo (o acuífugo ), que es un área sólida e impermeable subyacente o suprayacente a un acuífero, cuya presión podría conducir a la formación de un acuífero confinado. La clasificación de los acuíferos es la siguiente: saturado versus no saturado; acuíferos versus acuitardos; confinado versus no confinado; isotrópico versus anisotrópico; poroso, kárstico o fracturado; acuífero transfronterizo.

Características

Todo el flujo de agua superficial del río Alapaha cerca de Jennings , Florida , que desemboca en un sumidero que conduce al acuífero subterráneo de Floridan.

Temperatura

La alta capacidad calorífica específica del agua y el efecto aislante del suelo y las rocas pueden mitigar los efectos del clima y mantener las aguas subterráneas a una temperatura relativamente estable . En algunos lugares donde las temperaturas de las aguas subterráneas se mantienen por este efecto en aproximadamente 10 °C (50 °F), el agua subterránea se puede utilizar para controlar la temperatura dentro de las estructuras en la superficie. Por ejemplo, durante el clima cálido, el agua subterránea relativamente fría se puede bombear a través de radiadores en una casa y luego devolver al suelo en otro pozo. Durante las estaciones frías, debido a que es relativamente cálida, el agua se puede utilizar de la misma manera como fuente de calor para bombas de calor que es mucho más eficiente que el uso de aire.

Disponibilidad

Las aguas subterráneas constituyen aproximadamente el treinta por ciento del suministro de agua dulce del mundo , lo que supone aproximadamente el 0,76% del agua de todo el mundo, incluidos los océanos y el hielo permanente. [14] [15] Aproximadamente el 99% del agua dulce líquida del mundo es agua subterránea. [16] El almacenamiento mundial de agua subterránea es aproximadamente igual a la cantidad total de agua dulce almacenada en la nieve y el hielo, incluidos los polos norte y sur. Esto la convierte en un recurso importante que puede actuar como un almacenamiento natural que puede amortiguar la escasez de agua superficial , como en épocas de sequía . [17]

El volumen de agua subterránea en un acuífero se puede estimar midiendo los niveles de agua en pozos locales y examinando los registros geológicos de las perforaciones de pozos para determinar la extensión, profundidad y espesor de los sedimentos y rocas que contienen agua. Antes de realizar una inversión en pozos de producción, se pueden perforar pozos de prueba para medir las profundidades a las que se encuentra el agua y recolectar muestras de suelos, rocas y agua para análisis de laboratorio. Se pueden realizar pruebas de bombeo en pozos de prueba para determinar las características de flujo del acuífero. [3]

Las características de los acuíferos varían con la geología y la estructura del sustrato y la topografía en la que se encuentran. En general, los acuíferos más productivos se encuentran en formaciones geológicas sedimentarias. En comparación, las rocas cristalinas erosionadas y fracturadas producen cantidades menores de agua subterránea en muchos entornos. Los materiales aluviales no consolidados o poco cementados que se han acumulado como sedimentos que rellenan los valles en los principales valles fluviales y en las cuencas estructurales geológicamente hundidas se incluyen entre las fuentes más productivas de agua subterránea.

Los flujos de fluidos pueden alterarse en diferentes entornos litológicos por la deformación frágil de las rocas en zonas de falla ; los mecanismos por los cuales esto ocurre son el tema de la hidrogeología de zonas de falla . [18]

Usos por humanos

El agua subterránea se puede extraer a través de un pozo de agua.

La dependencia de las aguas subterráneas sólo aumentará, principalmente debido a la creciente demanda de agua por parte de todos los sectores combinada con una variación cada vez mayor en los patrones de precipitaciones . [19]

Cantidades

El agua subterránea es la fuente de agua dulce a la que más se accede en todo el mundo, ya sea como agua potable , para riego o para la industria . El agua subterránea representa aproximadamente la mitad del agua potable del mundo, el 40% del agua para riego y un tercio del agua para fines industriales. [16]

Otra estimación afirma que a nivel mundial las aguas subterráneas representan aproximadamente un tercio de todas las extracciones de agua , y las aguas superficiales los otros dos tercios. [20] : 21  Las aguas subterráneas proporcionan agua potable a al menos el 50% de la población mundial. [21] Aproximadamente 2.500 millones de personas dependen únicamente de los recursos de aguas subterráneas para satisfacer sus necesidades básicas diarias de agua. [21]

En 2021 se publicó una estimación similar que afirmaba que "se estima que las aguas subterráneas suministran entre una cuarta parte y un tercio de las extracciones anuales de agua dulce del mundo para satisfacer las demandas agrícolas, industriales y domésticas". [22] : 1091 

La extracción mundial de agua dulce probablemente rondaba los 600 km3 por año en 1900 y aumentó a 3.880 km3 por año en 2017. La tasa de aumento fue especialmente alta (alrededor del 3% por año) durante el período 1950-1980, en parte debido a una mayor tasa de crecimiento demográfico y en parte al rápido aumento del desarrollo de las aguas subterráneas, en particular para riego. La tasa de aumento es (a partir de 2022) de aproximadamente el 1% por año, en sintonía con la tasa de crecimiento demográfico actual. [19] : 15 

Se ha calculado que el agotamiento de las aguas subterráneas a nivel mundial oscila entre 100 y 300 km3 por año. Este agotamiento se debe principalmente a la "expansión de la agricultura de regadío en las tierras secas ". [22] : 1091 

La región de Asia y el Pacífico es la mayor extractora de aguas subterráneas del mundo, y comprende siete de los diez países que más agua subterránea extraen (Bangladesh, China, India, Indonesia, Irán, Pakistán y Turquía). Estos países por sí solos representan aproximadamente el 60% de la extracción total de agua subterránea del mundo. [19] : 6 

Aspectos de la calidad del agua potable

Las aguas subterráneas pueden ser o no una fuente de agua segura. De hecho, existe una considerable incertidumbre con respecto a las aguas subterráneas en diferentes contextos hidrogeológicos: la presencia generalizada de contaminantes como el arsénico , el fluoruro y la salinidad puede reducir la idoneidad de las aguas subterráneas como fuente de agua potable. El arsénico y el fluoruro se han considerado contaminantes prioritarios a nivel mundial, aunque las sustancias químicas prioritarias varían según el país. [21]

Las propiedades hidrogeológicas son muy heterogéneas , por lo que la salinidad de las aguas subterráneas suele ser muy variable en el espacio, lo que contribuye a que los riesgos para la seguridad de las aguas subterráneas sean muy variables incluso dentro de una región específica. [21] La salinidad de las aguas subterráneas hace que el agua sea desagradable al paladar y no se pueda utilizar, y suele darse en zonas costeras, por ejemplo, en Bangladesh y en África oriental y occidental. [21]

Abastecimiento de agua para usos municipales e industriales

Los suministros de agua para usos municipales e industriales se realizan a través de pozos de gran tamaño. Los pozos múltiples para una misma fuente de suministro de agua se denominan "campos de pozos", que pueden extraer agua de acuíferos confinados o no confinados. El uso de agua subterránea de acuíferos profundos y confinados proporciona mayor protección contra la contaminación de las aguas superficiales. Algunos pozos, denominados "pozos colectores", están diseñados específicamente para inducir la infiltración de aguas superficiales (normalmente de ríos).

Los acuíferos que proporcionan agua dulce subterránea sostenible a las zonas urbanas y para el riego agrícola suelen estar cerca de la superficie del suelo (a unos cientos de metros de distancia) y reciben cierta recarga de agua dulce, que suele proceder de ríos o de agua meteórica (precipitación) que se filtra en el acuífero a través de materiales no saturados que se encuentran por encima.

Riego

Campos irrigados con pivote central en Kansas que cubren cientos de millas cuadradas regadas por el acuífero Ogallala

En general, el riego del 20% de las tierras agrícolas (con diversos tipos de fuentes de agua) representa la producción del 40% de la producción alimentaria. [23] [24] Las técnicas de riego en todo el mundo incluyen canales que redirigen el agua superficial, [25] [26] el bombeo de agua subterránea y la desviación del agua de las represas. Los acuíferos son de vital importancia en la agricultura. Los acuíferos profundos en las zonas áridas han sido durante mucho tiempo fuentes de agua para el riego. La mayoría del agua subterránea extraída, el 70%, se utiliza para fines agrícolas. [27]

En la India, el 65% del riego proviene de aguas subterráneas [28] y aproximadamente el 90% del agua subterránea extraída se utiliza para riego. [29]

En ocasiones, se utilizan acuíferos sedimentarios o "fósiles" para abastecer de agua potable y riego a zonas urbanas. En Libia, por ejemplo, el proyecto del Gran Río Artificial de Muammar Gaddafi ha bombeado grandes cantidades de agua subterránea de acuíferos situados bajo el Sahara a zonas pobladas cercanas a la costa. [30] Aunque esto ha permitido a Libia ahorrar dinero en comparación con la alternativa, la desalinización del agua de mar, es probable que los acuíferos se sequen en un plazo de 60 a 100 años. [30]

Familias recogiendo agua de un pozo en Níger .

En los países en desarrollo

Las aguas subterráneas proporcionan un suministro crítico de agua dulce , en particular en regiones secas donde la disponibilidad de agua superficial es limitada. [31] A nivel mundial, más de un tercio del agua utilizada proviene del subsuelo. En las regiones áridas y semiáridas de latitudes medias que carecen de un suministro suficiente de agua superficial proveniente de ríos y embalses, el agua subterránea es fundamental para sostener la ecología mundial y satisfacer las necesidades sociales de agua potable y producción de alimentos. La demanda de agua subterránea está aumentando rápidamente con el crecimiento demográfico, mientras que el cambio climático está imponiendo una presión adicional sobre los recursos hídricos y aumentando la probabilidad de que se produzcan sequías graves. [31]

Los efectos antropogénicos sobre los recursos hídricos subterráneos se deben principalmente al bombeo de agua subterránea y a los efectos indirectos del riego y los cambios en el uso de la tierra. [31]

Las aguas subterráneas desempeñan un papel central en el sostenimiento del suministro de agua y los medios de vida en el África subsahariana. [32] En algunos casos, las aguas subterráneas son una fuente de agua adicional que no se utilizaba anteriormente. [33]

La dependencia de las aguas subterráneas está aumentando en el África subsahariana a medida que los programas de desarrollo trabajan para mejorar el acceso al agua y fortalecer la resiliencia al cambio climático. [34] En las zonas de bajos ingresos, los suministros de agua subterránea suelen instalarse sin infraestructura ni servicios de tratamiento de la calidad del agua. Esta práctica se sustenta en la suposición de que el agua subterránea sin tratar suele ser apta para beber debido a la relativa seguridad microbiológica del agua subterránea en comparación con el agua superficial; sin embargo, los riesgos químicos se ignoran en gran medida. [34] Los contaminantes químicos están ampliamente presentes en las aguas subterráneas que se utilizan para beber pero que no se controlan regularmente. Algunos ejemplos de parámetros prioritarios son el fluoruro, el arsénico, el nitrato o la salinidad. [34]

Desafíos

En primer lugar, los planes de mitigación de inundaciones, destinados a proteger la infraestructura construida en llanuras aluviales, han tenido la consecuencia no deseada de reducir la recarga de los acuíferos asociada con las inundaciones naturales. En segundo lugar, el agotamiento prolongado de las aguas subterráneas en acuíferos extensos puede provocar hundimientos del terreno , con el consiguiente daño a la infraestructura, así como, en tercer lugar, intrusión salina . [35] En cuarto lugar, el drenaje de suelos sulfatados ácidos, que suelen encontrarse en llanuras costeras bajas, puede provocar la acidificación y contaminación de corrientes que antes eran de agua dulce y estuarinas . [36]

Sobregiro

Durante un largo período de agotamiento de las aguas subterráneas en el Valle Central de California , los cortos períodos de recuperación fueron impulsados ​​principalmente por fenómenos climáticos extremos que generalmente causaron inundaciones y tuvieron consecuencias sociales, ambientales y económicas negativas. [37]
Diagrama de un balance hídrico del acuífero

El agua subterránea es un recurso sumamente útil y a menudo abundante. La mayoría de las áreas terrestres en la Tierra tienen algún tipo de acuífero subyacente, a veces a profundidades significativas. En algunos casos, estos acuíferos están siendo rápidamente agotados por la población humana. Tal uso excesivo, sobreextracción o sobreexplotación puede causar problemas importantes a los usuarios humanos y al medio ambiente. El problema más evidente (en lo que respecta al uso humano del agua subterránea) es un descenso del nivel freático más allá del alcance de los pozos existentes. Como consecuencia, los pozos deben perforarse más profundamente para alcanzar el agua subterránea; en algunos lugares (por ejemplo, California , Texas e India ) el nivel freático ha caído cientos de pies debido al bombeo extensivo de pozos. [38] Los satélites GRACE han recopilado datos que demuestran que 21 de los 37 acuíferos principales de la Tierra están sufriendo un agotamiento. [16] En la región de Punjab de la India , por ejemplo, los niveles de agua subterránea han caído 10 metros desde 1979, y la tasa de agotamiento se está acelerando. [39] Un nivel freático más bajo puede, a su vez, causar otros problemas como hundimientos relacionados con las aguas subterráneas e intrusión de agua salada . [40]

Otro motivo de preocupación es que la reducción de las aguas subterráneas de los acuíferos sobreasignados tiene el potencial de causar graves daños a los ecosistemas terrestres y acuáticos, en algunos casos de forma muy visible, pero en otros de forma bastante imperceptible debido al largo período durante el cual se producen los daños. [35] La importancia de las aguas subterráneas para los ecosistemas se suele pasar por alto, incluso por los biólogos y ecólogos de agua dulce. Las aguas subterráneas sustentan ríos, humedales y lagos , así como ecosistemas subterráneos dentro de acuíferos kársticos o aluviales.

Por supuesto, no todos los ecosistemas necesitan agua subterránea. Algunos ecosistemas terrestres (por ejemplo, los de los desiertos abiertos y otros entornos áridos similares) viven de las precipitaciones irregulares y de la humedad que estas aportan al suelo, complementada con la humedad del aire. Si bien hay otros ecosistemas terrestres en entornos más hospitalarios en los que las aguas subterráneas no desempeñan un papel central, las aguas subterráneas son, de hecho, fundamentales para muchos de los principales ecosistemas del mundo. El agua fluye entre las aguas subterráneas y las superficiales. La mayoría de los ríos, lagos y humedales se alimentan de las aguas subterráneas y (en otros lugares o momentos) las alimentan en diversos grados. Las aguas subterráneas alimentan la humedad del suelo a través de la percolación, y muchas comunidades de vegetación terrestre dependen directamente de las aguas subterráneas o de la humedad del suelo percolada por encima del acuífero durante al menos una parte de cada año. Las zonas hiporreicas (la zona de mezcla de aguas fluviales y subterráneas) y las zonas ribereñas son ejemplos de ecotonos que dependen en gran medida o totalmente de las aguas subterráneas.

Un estudio de 2021 concluyó que de los 39 millones de pozos de agua subterránea investigados [ ¿cómo? ], entre el 6 y el 20 % corren un alto riesgo de secarse si los niveles de agua subterránea locales disminuyen unos pocos metros o, como ocurre en muchas áreas y posiblemente en más de la mitad de los principales acuíferos [41]  , continúan disminuyendo. [42] [43]

Los acuíferos de agua dulce, especialmente aquellos con recarga limitada por nieve o lluvia, también conocidos como agua meteórica , pueden ser sobreexplotados y, dependiendo de la hidrogeología local , pueden absorber agua no potable o intrusión de agua salada de acuíferos conectados hidráulicamente o masas de agua superficial . Esto puede ser un problema grave, especialmente en áreas costeras y otras áreas donde el bombeo de acuíferos es excesivo.

Hundimiento

El hundimiento se produce cuando se bombea demasiada agua desde el subsuelo, desinflando el espacio debajo de la superficie y provocando así el derrumbe del suelo. El resultado puede parecer cráteres en las parcelas de tierra. Esto ocurre porque, en su estado de equilibrio natural, la presión hidráulica del agua subterránea en los espacios porosos del acuífero y el acuitardo soporta parte del peso de los sedimentos suprayacentes. Cuando se extrae agua subterránea de los acuíferos mediante un bombeo excesivo, las presiones de los poros en el acuífero disminuyen y puede producirse una compresión del acuífero. Esta compresión puede ser parcialmente recuperable si las presiones rebotan, pero gran parte de ella no lo es. Cuando el acuífero se comprime, puede provocar un hundimiento del terreno, una caída de la superficie del suelo. [44]

En los acuíferos no consolidados, el agua subterránea se produce a partir de los espacios porosos entre partículas de grava, arena y limo. Si el acuífero está confinado por capas de baja permeabilidad, la presión reducida del agua en la arena y la grava provoca un drenaje lento del agua de las capas confinantes adyacentes. Si estas capas confinantes están compuestas de limo o arcilla compresibles, la pérdida de agua hacia el acuífero reduce la presión del agua en la capa confinante, lo que hace que se comprima por el peso de los materiales geológicos suprayacentes. En casos graves, esta compresión se puede observar en la superficie del suelo como subsidencia . Desafortunadamente, gran parte de la subsidencia causada por la extracción de agua subterránea es permanente (el rebote elástico es pequeño). Por lo tanto, la subsidencia no solo es permanente, sino que el acuífero comprimido tiene una capacidad permanentemente reducida para retener agua.

La ciudad de Nueva Orleans, Luisiana, se encuentra actualmente por debajo del nivel del mar, y su hundimiento se debe en parte a la extracción de agua subterránea de los diversos sistemas de acuíferos/acuitardos que se encuentran debajo de ella. [45] En la primera mitad del siglo XX, el valle de San Joaquín experimentó un hundimiento significativo , en algunos lugares de hasta 8,5 metros (28 pies) [46] debido a la extracción de agua subterránea. Las ciudades en deltas de ríos, incluidas Venecia en Italia [47] y Bangkok en Tailandia [48] , han experimentado hundimientos superficiales; la Ciudad de México, construida sobre un antiguo lecho de lago, ha experimentado tasas de hundimiento de hasta 40 centímetros (1 pie 4 pulgadas) por año. [49]

En el caso de las ciudades costeras, el hundimiento puede aumentar el riesgo de otros problemas ambientales, como el aumento del nivel del mar . [50] Por ejemplo, se espera que Bangkok tenga 5,138 millones de personas expuestas a inundaciones costeras para 2070 debido a estos factores combinados. [50]

El agua subterránea se vuelve salina debido a la evaporación

Si la fuente de agua superficial también está sujeta a una evaporación sustancial, una fuente de agua subterránea puede volverse salina . Esta situación puede ocurrir de manera natural bajo cuerpos de agua endorreicos o artificialmente bajo tierras agrícolas irrigadas . En las zonas costeras, el uso humano de una fuente de agua subterránea puede provocar que se invierta la dirección de la filtración hacia el océano, lo que también puede causar la salinización del suelo .

A medida que el agua se desplaza por el paisaje, recoge sales solubles, principalmente cloruro de sodio . Cuando dicha agua entra en la atmósfera a través de la evapotranspiración , estas sales quedan atrás. En los distritos de riego , el drenaje deficiente de los suelos y los acuíferos superficiales puede provocar que los niveles freáticos suban a la superficie en las zonas bajas. Esto da lugar a importantes problemas de degradación de la tierra por salinidad del suelo y anegamiento [51] , combinados con niveles crecientes de sal en las aguas superficiales. Como consecuencia, se han producido importantes daños a las economías y los entornos locales [52] .

Los acuíferos en áreas irrigadas superficialmente en zonas semiáridas donde se reutilizan las pérdidas inevitables de agua de riego que se filtran al subsuelo mediante riego complementario de pozos corren el riesgo de salinización . [53]

El agua de riego superficial normalmente contiene sales del orden de0,5 g/L o más y el requerimiento de riego anual es del orden de10.000 m 3 /ha o más, por lo que la importación anual de sal es del orden de5.000 kg/ha o más. [54]

Bajo la influencia de la evaporación continua, la concentración de sal en el agua del acuífero puede aumentar continuamente y eventualmente causar un problema ambiental .

Para controlar la salinidad en tal caso, anualmente se debe descargar una cantidad de agua de drenaje del acuífero mediante un sistema de drenaje subterráneo y desecharla a través de una salida segura. El sistema de drenaje puede ser horizontal (es decir, mediante tuberías, desagües de tejas o zanjas) o vertical ( drenaje por pozos ). Para estimar el requerimiento de drenaje, puede ser útil el uso de un modelo de agua subterránea con un componente de agrohidrosalinidad, por ejemplo, SahysMod .

Intrusión de agua de mar

Los acuíferos cercanos a la costa tienen una lente de agua dulce cerca de la superficie y agua de mar más densa debajo del agua dulce. El agua de mar penetra en el acuífero difundiéndose desde el océano y es más densa que el agua dulce. Para los acuíferos porosos (es decir, arenosos) cerca de la costa, el espesor del agua dulce sobre el agua salada es de aproximadamente 12 metros (40 pies) por cada 0,3 m (1 pie) de carga de agua dulce sobre el nivel del mar . Esta relación se llama ecuación de Ghyben-Herzberg . Si se bombea demasiada agua subterránea cerca de la costa, el agua salada puede inmiscuirse en los acuíferos de agua dulce causando la contaminación de los suministros de agua dulce potable. Muchos acuíferos costeros, como el acuífero Biscayne cerca de Miami y el acuífero de la llanura costera de Nueva Jersey, tienen problemas con la intrusión de agua salada como resultado del bombeo excesivo y el aumento del nivel del mar.

La intrusión de agua de mar es el flujo o la presencia de agua de mar en los acuíferos costeros; es un caso de intrusión de agua salada . Es un fenómeno natural, pero también puede ser causado o empeorado por factores antropogénicos, como el aumento del nivel del mar debido al cambio climático . [55] En el caso de los acuíferos homogéneos, la intrusión de agua de mar forma una cuña salina debajo de una zona de transición hacia el agua subterránea dulce, que fluye hacia el mar en la parte superior. [56] [57] Estos cambios pueden tener otros efectos en la tierra por encima del agua subterránea. Por ejemplo, el agua subterránea costera en California aumentaría en muchos acuíferos, lo que aumentaría los riesgos de inundaciones y los problemas de escorrentía . [55]

El aumento del nivel del mar hace que el agua del mar se mezcle con las aguas subterráneas costeras, lo que las vuelve inutilizables cuando superan el 2-3% del reservorio. A lo largo de aproximadamente el 15% de la costa estadounidense, la mayoría de los niveles de aguas subterráneas locales ya están por debajo del nivel del mar. [58]

Contaminación

Las enfermedades transmitidas por el agua pueden propagarse a través de un pozo de agua subterránea que esté contaminado con patógenos fecales provenientes de letrinas de pozo.
Contaminación de las aguas subterráneas en Lusaka , Zambia, donde la letrina de pozo del fondo está contaminando el pozo poco profundo del primer plano con patógenos y nitratos.

La contaminación de las aguas subterráneas (también llamada contaminación de las aguas subterráneas) ocurre cuando los contaminantes se liberan al suelo y se abren paso hasta las aguas subterráneas. Este tipo de contaminación del agua también puede ocurrir de forma natural debido a la presencia de un componente, contaminante o impureza menor y no deseado en las aguas subterráneas, en cuyo caso es más probable que se la denomine contaminación en lugar de polución . La contaminación de las aguas subterráneas puede producirse por sistemas de saneamiento in situ , lixiviados de vertederos , efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales , fugas de alcantarillas, gasolineras , fracturación hidráulica (fracking) o por la aplicación excesiva de fertilizantes en la agricultura . La polución (o contaminación) también puede producirse por contaminantes naturales, como el arsénico o el flúor . [59] El uso de aguas subterráneas contaminadas provoca peligros para la salud pública a través del envenenamiento o la propagación de enfermedades ( enfermedades transmitidas por el agua ).

El contaminante a menudo produce una columna de contaminación dentro de un acuífero . El movimiento del agua y la dispersión dentro del acuífero extienden el contaminante sobre un área más amplia. Su límite de avance, a menudo llamado borde de la columna, puede intersecarse con pozos de agua subterránea y aguas superficiales, como filtraciones y manantiales, lo que hace que los suministros de agua sean inseguros para los humanos y la vida silvestre. El movimiento de la columna, llamado frente de columna, puede analizarse a través de un modelo de transporte hidrológico o un modelo de agua subterránea . El análisis de la contaminación de las aguas subterráneas puede centrarse en las características del suelo y la geología del sitio , la hidrogeología , la hidrología y la naturaleza de los contaminantes. Diferentes mecanismos tienen influencia en el transporte de contaminantes, por ejemplo, difusión , adsorción , precipitación , descomposición , en el agua subterránea.

Cambio climático

Una mujer bombea agua desde una bomba manual en su aldea en Sindh , Pakistán.

Los impactos del cambio climático en las aguas subterráneas pueden ser mayores a través de sus efectos indirectos en la demanda de agua de riego a través del aumento de la evapotranspiración . [19] : 5  Se observa una disminución en el almacenamiento de agua subterránea en muchas partes del mundo. Esto se debe a que se utiliza más agua subterránea para actividades de riego en la agricultura, particularmente en las tierras secas . [22] : 1091  Parte de este aumento en el riego puede deberse a problemas de escasez de agua empeorados por los efectos del cambio climático en el ciclo del agua . La redistribución directa del agua por actividades humanas que asciende a ~24.000 km 3 por año es aproximadamente el doble de la recarga global de agua subterránea cada año. [22]

El cambio climático provoca cambios en el ciclo del agua que a su vez afectan a las aguas subterráneas de varias maneras: puede haber una disminución en el almacenamiento de agua subterránea y una reducción en la recarga de agua subterránea y un deterioro de la calidad del agua debido a fenómenos meteorológicos extremos. [60] : 558  En los trópicos, las precipitaciones intensas y los eventos de inundaciones parecen conducir a una mayor recarga de agua subterránea. [60] : 582 

Sin embargo, los impactos exactos del cambio climático sobre las aguas subterráneas aún están bajo investigación. [60] : 579  Esto se debe a que aún faltan datos científicos derivados del monitoreo de las aguas subterráneas, como cambios en el espacio y el tiempo, datos de extracción y "representaciones numéricas de los procesos de recarga de las aguas subterráneas". [60] : 579 

Los efectos del cambio climático podrían tener diferentes impactos en el almacenamiento de agua subterránea: los eventos de lluvias importantes más intensos (pero menos frecuentes) esperados podrían llevar a una mayor recarga de agua subterránea en muchos entornos. [19] : 104  Pero los períodos de sequía más intensos podrían resultar en el secado y compactación del suelo, lo que reduciría la infiltración al agua subterránea. [61]

En las regiones de mayor altitud, la reducción de la duración y la cantidad de nieve puede provocar una menor recarga de las aguas subterráneas en primavera. [60] : 582  Los impactos del retroceso de los glaciares alpinos en los sistemas de aguas subterráneas no se comprenden bien. [19] : 106 

El aumento global del nivel del mar debido al cambio climático ha inducido la intrusión de agua de mar en los acuíferos costeros de todo el mundo, en particular en las zonas bajas y las islas pequeñas. [60] : 611  Sin embargo, la extracción de agua subterránea suele ser la principal causa de la intrusión de agua de mar, en lugar del aumento del nivel del mar (véase la sección sobre la intrusión de agua de mar). [19] : 5  La intrusión de agua de mar amenaza los ecosistemas costeros y la resiliencia de los medios de vida. Bangladesh es un país vulnerable a este problema, y ​​el bosque de manglares de Sundarbans es un ecosistema vulnerable. [60] : 611 

La contaminación de las aguas subterráneas también puede aumentar indirectamente debido al cambio climático: tormentas más frecuentes e intensas pueden contaminar las aguas subterráneas al movilizar contaminantes, por ejemplo, fertilizantes, aguas residuales o excrementos humanos de letrinas de pozo. [60] : 611  Las sequías reducen la capacidad de dilución de los ríos y los niveles de las aguas subterráneas, lo que aumenta el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas.

Los sistemas acuíferos que son vulnerables al cambio climático incluyen los siguientes ejemplos (los primeros cuatro son en gran medida independientes de las extracciones humanas, a diferencia de los ejemplos 5 a 8, donde la intensidad de las extracciones humanas de agua subterránea juega un papel clave en la amplificación de la vulnerabilidad al cambio climático): [19] : 109 

  1. sistemas acuíferos costeros y deltaicos de bajo relieve,
  2. sistemas acuíferos en latitudes continentales septentrionales o regiones alpinas y polares
  3. acuíferos en ciudades de bajos ingresos en rápida expansión y grandes comunidades desplazadas e informales
  4. acuíferos aluviales poco profundos que subyacen a ríos estacionales en tierras secas,
  5. Sistemas de acuíferos de bombeo intensivo para riego alimentado con agua subterránea en tierras secas
  6. Acuíferos de bombeo intensivo para ciudades de tierras secas
  7. acuíferos costeros intensamente bombeados
  8. Sistemas acuíferos de bajo almacenamiento y baja recarga en tierras secas

Adaptación al cambio climático

El uso de más agua subterránea, en particular en el África subsahariana, se considera un método de adaptación al cambio climático en caso de que éste provoque sequías más intensas o frecuentes. [62]

Las adaptaciones basadas en el agua subterránea al cambio climático aprovechan el almacenamiento distribuido de agua subterránea y la capacidad de los sistemas acuíferos para almacenar excedentes de agua estacionales o episódicos. [19] : 5  Incurren en pérdidas por evaporación sustancialmente menores que las infraestructuras convencionales, como las presas superficiales. Por ejemplo, en África tropical , bombear agua desde el almacenamiento de agua subterránea puede ayudar a mejorar la resiliencia climática de los suministros de agua y alimentos. [19] : 110 

Mitigación del cambio climático

El desarrollo de la energía geotérmica , una fuente de energía sostenible , juega un papel importante en la reducción de las emisiones de CO 2 y, por tanto, en la mitigación del cambio climático . [19] : 5  El agua subterránea es un agente en el almacenamiento, movimiento y extracción de energía geotérmica. [19] : 110 

En países pioneros, como los Países Bajos y Suecia, el agua subterránea se considera cada vez más como un componente más (una fuente estacional, un sumidero o un "amortiguador" térmico) en las redes de calefacción y refrigeración urbanas . [19] : 113 

Los acuíferos profundos también pueden utilizarse para la captura y secuestro de carbono , el proceso de almacenamiento de carbono para frenar la acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera. [19] : 5 

Gobernanza de las aguas subterráneas

Tasas de extracción de agua subterránea del acuífero Ogallala en el centro de Estados Unidos

Los procesos de gobernanza de las aguas subterráneas permiten la gestión, la planificación y la aplicación de políticas en materia de aguas subterráneas. Se llevan a cabo en múltiples escalas y niveles geográficos, incluidas las escalas regional y transfronteriza. [19] : 2 

La gestión de las aguas subterráneas está orientada a la acción y se centra en las actividades de implementación práctica y las operaciones cotidianas. Dado que las aguas subterráneas suelen percibirse como un recurso privado (es decir, estrechamente vinculado a la propiedad de la tierra y, en algunas jurisdicciones, se las trata como propiedad privada), la regulación y la gobernanza y gestión de arriba hacia abajo son difíciles. Los gobiernos deben asumir plenamente su papel como custodios de los recursos en vista de los aspectos de bien común de las aguas subterráneas. [19] : 2 

Las leyes y reglamentos nacionales regulan el acceso a las aguas subterráneas, así como las actividades humanas que afectan a la calidad de las mismas. Los marcos jurídicos también deben incluir la protección de las zonas de descarga y recarga y del área que rodea los pozos de suministro de agua, así como normas de rendimiento sostenible y controles de extracción, y regulaciones de uso conjunto. En algunas jurisdicciones, las aguas subterráneas se regulan junto con las aguas superficiales, incluidos los ríos. [19] : 2 

Por país

El agua subterránea es un recurso hídrico importante para el suministro de agua potable , especialmente en los países áridos .

La región árabe es una de las más escasas en agua del mundo y las aguas subterráneas son la fuente de agua más utilizada en al menos 11 de los 22 estados árabes. La sobreexplotación de las aguas subterráneas en muchas partes de la región ha provocado descensos de las capas freáticas, especialmente en zonas densamente pobladas y agrícolas. [19] : 7 


Véase también

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Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Agua subterránea .
  • Oficina de Aguas Subterráneas del USGS
  • IAH, Asociación Internacional de Hidrogeólogos
  • The Groundwater Project Plataforma en línea para el conocimiento sobre aguas subterráneas
  • Proyecto de investigación de 7 años de la UGPRO sobre el “Potencial de las aguas subterráneas para los pobres” (2013-2020)
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