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aguas subterráneas

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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 alcanzarla.

El agua subterránea es el agua presente bajo la superficie terrestre 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 proporcionar una cantidad utilizable de agua. La profundidad a la que los espacios porosos del suelo o las fracturas y huecos en la roca se saturan completamente con agua se llama nivel freático . El agua subterránea se recarga desde la superficie; puede descargar de la superficie de forma natural en manantiales y filtraciones , y puede formar oasis o humedales . El agua subterránea también se extrae con frecuencia 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 aguas subterráneas .

Generalmente, se considera que el agua subterránea fluye a través de acuíferos poco profundos, pero, en sentido técnico, también puede contener humedad del suelo , permafrost (suelo congelado), agua estancada en roca madre de muy baja permeabilidad y agua geotérmica profunda o de formaciones petrolíferas . Se postula que el agua subterránea proporciona lubricación , lo que podría influir en el movimiento de las fallas . Es probable que gran parte del subsuelo terrestre contenga agua, que en algunos casos puede estar mezclada con otros fluidos.

El agua subterránea suele ser más barata, más accesible y menos vulnerable a la contaminación que el agua superficial . Por lo tanto, se utiliza comúnmente para el suministro público de agua potable . Por ejemplo, el agua subterránea constituye 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 depósitos subterráneos contienen mucha más agua que la capacidad de todos los depósitos y lagos superficiales de los Estados Unidos, incluidos los Grandes Lagos . Muchos suministros de agua municipales provienen exclusivamente 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 del agua subterránea causa problemas ambientales. Por ejemplo, el agua subterránea contaminada es menos visible y más difícil de limpiar que la contaminación en ríos y lagos. La contaminación del agua subterránea suele ser consecuencia de la eliminación inadecuada de desechos en tierra. Las principales fuentes incluyen productos químicos industriales y domésticos , vertederos de basura , fertilizantes y pesticidas excesivos utilizados en la agricultura, lagunas de desechos industriales, relaves y aguas residuales de procesos mineros, fracturación hidráulica industrial , fosas de salmuera de campos petrolíferos, fugas en tanques y oleoductos subterráneos, lodos de depuradora y sistemas sépticos . Además, el agua subterránea es susceptible a la intrusión de agua salada en zonas costeras y puede causar subsidencia del terreno cuando se extrae de forma insostenible, lo que lleva al hundimiento de ciudades (como Bangkok ) y a la pérdida de elevación (como los varios 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 que afectan al ciclo del agua . La inclinación del eje terrestre se ha desplazado 79 centímetros debido al bombeo humano de agua subterránea. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Definición

El agua subterránea es agua dulce ubicada en el espacio poroso subsuperficial del suelo y las rocas . También es agua que fluye dentro de los acuíferos por debajo del nivel freático . A veces es útil distinguir 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 ] ).

Función en el ciclo del agua

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

El agua subterránea puede considerarse en los mismos términos que el agua superficial : entradas, salidas y almacenamiento. La entrada natural al agua subterránea es la infiltración del agua superficial, que luego debe percolar hacia abajo para llegar al agua subterránea. Las salidas naturales del agua subterránea son los manantiales y la filtración hacia los océanos. [ 9 ] El almacenamiento de agua subterránea puede ser mucho mayor (en volumen) en comparación con sus entradas que el agua superficial y tiene una tasa de renovación más lenta, aunque esto depende de las características del acuífero. [ 10 ] Esta diferencia facilita que los seres humanos utilicen el agua subterránea de forma insostenible durante mucho tiempo sin graves consecuencias. Sin embargo, a largo plazo, la tasa promedio de infiltración por encima de una fuente de agua subterránea más la entrada de los arroyos es el límite superior para el consumo promedio de agua de esa fuente. [ 11 ] [ 12 ]

El agua subterránea se repone naturalmente con el agua superficial proveniente de la precipitación , los arroyos y los ríos cuando esta recarga llega al nivel freático. [ 13 ]

El agua subterránea puede ser un « reservorio » a largo plazo del ciclo natural del agua (con tiempos de residencia de días a milenios), [ 14 ] [ 15 ] a diferencia de los reservorios de agua a corto plazo como la atmósfera y el agua dulce superficial (que tienen tiempos de residencia de minutos a años). El agua subterránea profunda (que está bastante alejada de la recarga superficial) puede tardar mucho tiempo en completar su ciclo natural.

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

Al comparar la edad del agua subterránea obtenida de diferentes partes de la Gran Cuenca Artesiana, los hidrogeólogos han descubierto que aumenta a lo largo de la cuenca. Donde el agua recarga los acuíferos a lo largo de la Divisoria Oriental , la edad del agua es joven. A medida que el agua subterránea fluye hacia el oeste a través del continente, su edad aumenta, encontrándose la más antigua en las zonas 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 se desplaza a una velocidad promedio de aproximadamente 1 metro por año.

Recarga de aguas subterráneas

La recarga de aguas subterráneas , también conocida como drenaje profundo o percolación profunda, es un proceso hidrológico en el que el agua se mueve hacia abajo desde la superficie hasta el subsuelo. La recarga es el método principal por el cual el agua ingresa a un acuífero . Este proceso suele ocurrir en la zona vadosa, debajo de las raíces de las plantas , y a menudo se manifiesta como un flujo hacia la superficie del nivel freático . La recarga de aguas subterráneas también abarca el movimiento del agua desde el nivel freático hacia la zona saturada. [ 16 ] La recarga ocurre tanto de forma natural (a través del ciclo del agua ) como mediante procesos antropogénicos (es decir, "recarga artificial de aguas subterráneas"), donde el agua de lluvia o el agua regenerada se canalizan hacia el 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 freático; métodos de balance hídrico (WB) (incluidos los modelos de aguas subterráneas (GM)); y la estimación del caudal base (BF) a los ríos. [ 17 ]

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 en materiales no consolidados ( grava , arena o limo ). [ 18 ] Los acuíferos varían mucho en sus características. El estudio del flujo de agua en los acuíferos y la caracterización de los mismos se llama hidrogeología . Los conceptos relacionados incluyen acuitardo, un lecho de baja permeabilidad a lo largo de un acuífero, y acuicludo (o acuífugo ), una región sólida e impermeable que se encuentra debajo o sobre un acuífero, cuya presión podría conducir a la formación de un acuífero confinado. Los acuíferos se pueden clasificar como saturados o no saturados, acuíferos o acuitardos, confinados o no confinados, isotrópicos o anisotrópicos, y porosos, kársticos , fracturados o transfronterizos.

Características

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

Temperatura

La elevada capacidad calorífica específica del agua y el efecto aislante del suelo y la roca pueden mitigar los efectos del clima y mantener el agua subterránea a una temperatura relativamente constante . En algunos lugares donde este efecto mantiene la temperatura del agua subterránea en torno a los 10 °C (50 °F) , esta puede utilizarse para controlar la temperatura en el interior de las estructuras en la superficie. Por ejemplo, durante el calor, el agua subterránea relativamente fría puede bombearse a través de radiadores en una vivienda y luego devolverse al subsuelo mediante otro pozo. Durante las estaciones frías, al estar relativamente caliente, el agua puede utilizarse como fuente de calor para bombas de calor, lo que resulta mucho más eficiente que el uso del aire.  

Disponibilidad

El agua subterránea constituye aproximadamente el treinta por ciento del suministro mundial de agua dulce , lo que representa alrededor del 0,76 % del agua total del planeta, incluyendo océanos y hielo permanente. [ 19 ] [ 20 ] Aproximadamente el 99 % del agua dulce líquida del mundo es agua subterránea. [ 21 ] El almacenamiento mundial de agua subterránea es aproximadamente igual a la cantidad total de agua dulce almacenada en la nieve y el hielo, incluyendo 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 . [ 22 ]

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 la perforación de pozos para determinar la extensión, profundidad y espesor de los sedimentos y rocas acuíferos. Antes de invertir 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 suelo, roca 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 según la geología, la estructura del sustrato y la topografía en la que se encuentran. En general, los acuíferos más productivos se ubican en formaciones geológicas sedimentarias. En comparación, las rocas cristalinas erosionadas y fracturadas producen menores cantidades de agua subterránea en muchos entornos. Los materiales aluviales no consolidados o poco cementados que se han acumulado como sedimentos de relleno de valles en grandes valles fluviales y cuencas estructurales geológicamente subsistidas se incluyen entre las fuentes más productivas de agua subterránea.

Los flujos de fluidos pueden verse alterados en diferentes entornos litológicos por la deformación frágil de las rocas en las zonas de falla ; los mecanismos por los cuales esto ocurre son objeto de la hidrogeología de zonas de falla . [ 23 ]

Usos por los humanos

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

La dependencia del agua subterránea no hará más que aumentar, principalmente debido a la creciente demanda de agua por parte de todos los sectores, combinada con la creciente variación en los patrones de precipitación . [ 24 ] El uso seguro del agua subterránea varía sustancialmente según los elementos presentes y los casos de uso, con diferencias significativas entre el consumo para humanos, ganado y diferentes cultivos. [ 25 ]

Cantidades

El agua subterránea es la fuente de agua dulce más utilizada en todo el mundo, incluyendo el consumo humano , el riego y 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. [ 21 ]

Otra estimación indicó que a nivel mundial el agua subterránea representa aproximadamente un tercio de todas las extracciones de agua , y el agua superficial los otros dos tercios. [ 26 ] : 21 El agua subterránea proporciona agua potable a al menos el 50% de la población mundial. [ 27 ] Alrededor de 2.500 millones de personas dependen exclusivamente de los recursos de agua subterránea para satisfacer sus necesidades básicas diarias de agua. [ 27 ]

Una estimación similar se publicó en 2021, la cual afirmaba que "se estima que el agua subterránea abastece entre un cuarto y un tercio de las extracciones anuales de agua dulce del mundo para satisfacer las demandas agrícolas, industriales y domésticas". [ 28 ] : 1091

La extracción mundial de agua dulce fue probablemente de unos 600  km³ por año en 1900 y aumentó a 3880 km³ por año en 2017. La tasa de aumento fue especialmente alta (alrededor del 3 % anual) durante el período 1950-1980, debido en parte a una mayor tasa de crecimiento demográfico y en parte al rápido desarrollo de las aguas subterráneas, particularmente para riego. La tasa de aumento es (a partir de 2022) de aproximadamente el 1 % anual, en consonancia con la tasa de crecimiento demográfico actual. [ 24 ] : 15 

Se ha calculado que el agotamiento global de las aguas subterráneas oscila entre 100 y 300  km³ por año . Este agotamiento se debe principalmente a la "expansión de la agricultura de regadío en zonas áridas ". [ 28 ] : 1091

La región de Asia-Pacífico es la mayor extractora de agua subterránea del mundo, albergando siete de los diez países que más la 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 a nivel mundial. [ 24 ] : 6

Aspectos relacionados con la calidad del agua potable

El agua subterránea puede o no ser una fuente de agua segura. De hecho, existe una considerable incertidumbre respecto al agua subterránea en diferentes contextos hidrogeológicos: la presencia generalizada de contaminantes como arsénico , fluoruro y salinidad puede reducir su idoneidad como fuente de agua potable. El arsénico y el fluoruro se han considerado contaminantes prioritarios a nivel mundial, aunque los contaminantes prioritarios varían según el país. [ 27 ]

Existe una gran heterogeneidad en las propiedades hidrogeológicas . Por esta razón, la salinidad del agua subterránea suele ser muy variable espacialmente. Esto contribuye a riesgos de seguridad del agua subterránea muy variables incluso dentro de una región específica. [ 27 ] La salinidad en el agua subterránea la vuelve desagradable e inutilizable, y suele ser peor en las zonas costeras, especialmente debido a la intrusión de agua salada por el uso excesivo, que es notable en Bangladesh, el este y el oeste de la India, y muchas naciones insulares. [ 27 ]

Debido al cambio climático, el agua subterránea se está calentando. La temperatura del agua subterránea de Viena aumentó en 0,9 grados Celsius entre 2001 y 2010; en 1,4 grados entre 2011 y 2020. [ 29 ] En un proyecto de investigación conjunto, científicos del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) y la Universidad de Viena han intentado cuantificar la cantidad de pérdida de agua potable que se espera debido al calentamiento del agua subterránea hasta finales del siglo actual. [ 30 ] Subrayando el hecho de que los patrones regionales de calentamiento del agua subterránea superficial varían sustancialmente debido a la variabilidad espacial en el cambio climático y la profundidad del nivel freático, estos investigadores escriben que actualmente carecemos de conocimiento sobre cómo responde el agua subterránea al calentamiento de la superficie en escalas espaciales y temporales. [ 31 ] Su estudio muestra, sin embargo, que siguiendo una trayectoria de emisiones medias , en 2100 se proyecta que entre 77 millones y 188 millones de personas vivirán en áreas donde el agua subterránea supera el umbral más alto para las temperaturas del agua potable (DWT) establecido por cualquier país. [ 31 ]

Suministro de agua para usos municipales e industriales.

El suministro de agua municipal e industrial se realiza mediante pozos de gran tamaño. Un conjunto de pozos que alimentan una misma fuente de agua se denomina "campo de pozos", el cual puede extraer agua de acuíferos confinados o no confinados. El uso de agua subterránea de acuíferos profundos y confinados ofrece mayor protección contra la contaminación de las aguas superficiales. Algunos pozos, denominados "pozos colectores", están diseñados específicamente para inducir la infiltración de agua superficial (generalmente de río).

Los acuíferos que proporcionan agua subterránea dulce sostenible a las zonas urbanas y para el riego agrícola suelen estar cerca de la superficie (a unos cientos de metros) y se recargan con agua dulce. Esta recarga proviene generalmente de ríos o agua meteórica (precipitación) que se filtra en el acuífero a través de los materiales suprayacentes no saturados. En los casos en que el agua subterránea presenta niveles inaceptables de salinidad o iones específicos, la desalinización es un tratamiento común. [ 25 ] [ 32 ] [ 33 ] Sin embargo, para la salmuera, es necesario un tratamiento seguro o su reutilización . [ 25 ]

Riego

Campos de cultivo irrigados por pivote central en Kansas, que abarcan cientos de millas cuadradas y son regados por el acuífero de Ogallala.

En general, el riego del 20% de las tierras agrícolas (con diversos tipos de fuentes de agua) representa el 40% de la producción de alimentos. [ 34 ] [ 35 ] Las técnicas de riego en todo el mundo incluyen canales que redirigen el agua superficial, [ 36 ] [ 37 ] el bombeo de agua subterránea y la desviación de agua de las presas. Los acuíferos son de vital importancia en la agricultura. Los acuíferos profundos en zonas áridas han sido durante mucho tiempo fuentes de agua para el riego. La mayor parte del agua subterránea extraída, el 70%, se utiliza para fines agrícolas. [ 38 ] Se han realizado importantes investigaciones para determinar los niveles seguros de sales específicas presentes para diferentes usos agrícolas. [ 39 ]

En India, el 65% del riego proviene de aguas subterráneas [ 40 ] y alrededor del 90% del agua subterránea extraída se utiliza para riego. [ 41 ]

En ocasiones, se utilizan acuíferos sedimentarios o fósiles para el riego y el suministro de agua potable a zonas urbanas. En Libia, por ejemplo, el proyecto del Gran Río Artificial de Muamar Gadafi ha bombeado grandes cantidades de agua subterránea de acuíferos situados bajo el Sáhara hacia zonas pobladas cercanas a la costa. [ 42 ] Si bien esto ha supuesto un ahorro para Libia en comparación con la alternativa de la desalinización del agua de mar, es probable que los acuíferos se agoten en un plazo de 60 a 100 años. [ 42 ]

Familias recogiendo agua de un pozo en Níger .

En los países en desarrollo

El agua subterránea proporciona un suministro crítico de agua dulce , especialmente en regiones áridas donde la disponibilidad de agua superficial es limitada. [ 43 ] 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 mantener la ecología global 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 ejerciendo una presión adicional sobre los recursos hídricos y aumentando la probabilidad de que ocurran sequías severas. [ 43 ]

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 del suelo. [ 43 ]

El agua subterránea desempeña un papel fundamental en el mantenimiento del suministro de agua y los medios de subsistencia en el África subsahariana . [ 44 ] En algunos casos, el agua subterránea es una fuente de agua adicional que no se utilizaba anteriormente. [ 45 ]

Desafíos

Primero, 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 acuíferos asociada a las inundaciones naturales. Segundo, el agotamiento prolongado de las aguas subterráneas en acuíferos extensos puede provocar subsidencia del terreno , con los consiguientes daños a la infraestructura , así como, tercero, intrusión salina . [ 46 ] Cuarto, el drenaje de suelos sulfatados ácidos, que se encuentran a menudo en llanuras costeras bajas, puede provocar la acidificación y contaminación de arroyos que antes eran de agua dulce y estuarinos . [ 47 ] 

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 eventos climáticos extremos que generalmente causaron inundaciones y tuvieron consecuencias sociales, ambientales y económicas negativas. [ 48 ]
Diagrama del balance hídrico del acuífero

El agua subterránea es un recurso muy útil y a menudo abundante. La mayoría de las áreas terrestres de la Tierra tienen algún tipo de acuífero subyacente, a veces a profundidades significativas. En algunos casos, estos acuíferos se están agotando rápidamente debido a la población humana. Este uso excesivo, sobreextracción o sobreexplotación puede causar graves problemas a los usuarios humanos y al medio ambiente. El problema más evidente (en lo que respecta al uso humano del agua subterránea) es el descenso del nivel freático más allá del alcance de los pozos existentes. Como consecuencia, es necesario perforar pozos más profundos para alcanzar el agua subterránea; en algunos lugares (por ejemplo, California , Texas e India ) el nivel freático ha descendido cientos de pies debido al bombeo intensivo de pozos. [ 49 ] Los satélites GRACE han recopilado datos que demuestran que 21 de los 37 acuíferos principales de la Tierra están sufriendo agotamiento. [ 21 ] En la región de Punjab , en India, por ejemplo, los niveles de agua subterránea han descendido 10 metros desde 1979, y la tasa de agotamiento se está acelerando. [ 50 ] Un descenso del nivel freático puede, a su vez, causar otros problemas como la subsidencia relacionada con las aguas subterráneas y la intrusión de agua salada . [ 51 ]

Otro motivo de preocupación es que la extracción de agua subterránea de acuíferos sobreexplotados puede causar daños graves a los ecosistemas terrestres y acuáticos ; en algunos casos de forma muy evidente, pero en otros de forma casi imperceptible debido al largo período durante el cual se produce el daño. [ 46 ] La importancia del agua subterránea para los ecosistemas suele pasarse por alto, incluso por 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 , como los de los desiertos abiertos y otros entornos áridos similares , dependen de las lluvias irregulares y la humedad que estas aportan al suelo, complementada con la humedad del aire. Si bien existen otros ecosistemas terrestres en entornos más favorables donde el agua subterránea no desempeña un papel central, en realidad es fundamental 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 agua subterránea y, en otros lugares o momentos, la alimentan en mayor o menor medida. El agua subterránea aporta humedad al suelo mediante la percolación, y muchas comunidades de vegetación terrestre dependen directamente del agua subterránea o de la humedad del suelo percolada por encima del acuífero durante al menos parte del año. Las zonas hiporreicas (la zona de mezcla del agua de los arroyos y el agua subterránea) y las zonas ribereñas son ejemplos de ecotonos que dependen en gran medida o totalmente del agua subterránea.  

Un estudio de 2021 encontró que de los ~39 millones de pozos de agua subterránea investigados , entre el 6 y el 20 % corren un alto riesgo de secarse si los niveles locales de agua subterránea disminuyen unos pocos metros o, como sucede en muchas áreas y posiblemente en más de la mitad de los principales acuíferos [ 52 ] , continúan disminuyendo. [ 53 ] [ 54 ]  

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

Hundimiento

La subsidencia se produce cuando se extrae demasiada agua del subsuelo, lo que reduce el espacio bajo la superficie y provoca el colapso del terreno. El resultado puede manifestarse como cráteres en los terrenos. 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 disminuyen y puede producirse la compresión del acuífero. Esta compresión puede ser parcialmente reversible si las presiones se recuperan, pero en gran medida no lo es. Cuando el acuífero se comprime, puede provocar la subsidencia del terreno, es decir, un hundimiento de la superficie. [ 55 ]

En los acuíferos no consolidados, el agua subterránea se produce a partir de los espacios porosos entre las partículas de grava, arena y limo. Si el acuífero está confinado por capas de baja permeabilidad, la menor presión 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 provoca su compresión por el peso de los materiales geológicos suprayacentes. En casos severos, esta compresión puede observarse en la superficie del terreno 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 de retención de agua permanentemente reducida.

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 acuíferos/acuitardos que se encuentran debajo. [ 56 ] 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) [ 57 ] debido a la extracción de agua subterránea. Ciudades en deltas fluviales, como Venecia en Italia, [ 58 ] y Bangkok en Tailandia, [ 59 ] han experimentado hundimiento de la superficie; Ciudad de México, construida sobre el lecho de un antiguo lago, ha experimentado tasas de hundimiento de hasta 40 centímetros (1 pie 4 pulgadas) por año. [ 60 ]  

Para las ciudades costeras, la subsidencia puede aumentar el riesgo de otros problemas ambientales, como el aumento del nivel del mar . [ 61 ] Por ejemplo, se espera que Bangkok tenga 5,138  millones de personas expuestas a inundaciones costeras para 2070 debido a la combinación de estos factores. [ 61 ]

El agua subterránea se está volviendo salina debido a la evaporación.

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

A medida que el agua se desplaza por el paisaje, recoge sales solubles, principalmente cloruro de sodio . Cuando esta agua llega a la atmósfera por evapotranspiración , estas sales se depositan en ella. En las zonas de regadío , el drenaje deficiente de los suelos y los acuíferos superficiales puede provocar que los niveles freáticos afloren en las zonas bajas. Esto genera graves problemas de degradación del suelo , como la salinización y el encharcamiento , [ 62 ] combinados con el aumento de los niveles de sal en las aguas superficiales. Como consecuencia, se han producido importantes daños a las economías y los entornos locales. [ 63 ]

Los acuíferos en áreas de regadío superficial en zonas semiáridas con reutilización de las inevitables pérdidas de agua de riego que se filtran al subsuelo mediante riego suplementario desde pozos corren el riesgo de salinización . [ 64 ]

El agua de riego superficial normalmente contiene sales del orden de0,5  g/L o más y el requerimiento anual de riego 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. [ 65 ]

Bajo la influencia de la evaporación continua, la concentración de sal en el agua del acuífero puede aumentar progresivamente y, con el tiempo, provocar un problema medioambiental .

Para controlar la salinidad en estos casos, anualmente se debe extraer una cantidad de agua de drenaje del acuífero mediante un sistema de drenaje subterráneo y eliminarla a través de una salida segura. El sistema de drenaje puede ser horizontal (es decir, mediante tuberías, drenajes o zanjas) o vertical ( drenaje mediante pozos ). Para estimar la cantidad de drenaje necesaria, puede ser útil un modelo de aguas subterráneas con un componente agro-hidro-salino, por ejemplo, SahysMod .

intrusión de agua de mar

Los acuíferos cercanos a la costa tienen una capa de agua dulce cerca de la superficie y agua de mar más densa debajo. El agua de mar penetra en el acuífero por difusión desde el océano y es más densa que el agua dulce. En acuíferos porosos (es decir, arenosos) cerca de la costa, el espesor de agua dulce sobre agua salada es de aproximadamente 12 metros (40 pies) por cada 0,3 metros (1 pie) de columna de agua dulce sobre el nivel del mar . Esta relación se conoce como la ecuación de Ghyben-Herzberg . Si se bombea demasiada agua subterránea cerca de la costa, el agua salada puede intruir en los acuíferos de agua dulce, contaminando así el suministro de agua potable. Muchos acuíferos costeros, como el acuífero de Biscayne cerca de Miami y el acuífero de la llanura costera de Nueva Jersey, presentan problemas de intrusión de agua salada como consecuencia 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 agravado por factores antropogénicos, como el aumento del nivel del mar debido al cambio climático . [ 66 ] En el caso de acuíferos homogéneos, la intrusión de agua de mar forma una cuña salina debajo de una zona de transición hacia el agua subterránea dulce, fluyendo hacia el mar en la parte superior. [ 67 ] [ 68 ] Estos cambios pueden tener otros efectos en la tierra sobre el agua subterránea. Por ejemplo, el agua subterránea costera en California aumentaría en muchos acuíferos, incrementando los riesgos de inundaciones y problemas de escorrentía . [ 66 ]

El aumento del nivel del mar provoca la mezcla del agua de mar con las aguas subterráneas costeras, lo que las vuelve inutilizables una vez que superan el 2-3% del embalse. Se estima que a lo largo del 15% de la costa estadounidense, la mayoría de los niveles de agua subterránea locales ya se encuentran por debajo del nivel del mar. [ 69 ]

Contaminación

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

La contaminación de las aguas subterráneas (también llamada polución de aguas subterráneas) ocurre cuando los contaminantes se liberan al suelo y llegan a las aguas subterráneas. Este tipo de contaminación del agua también puede ocurrir naturalmente debido a la presencia de un componente, contaminante o impureza menor e indeseado en las aguas subterráneas, en cuyo caso es más probable que se haga referencia a ella como polución en lugar de contaminación . La contaminación de las aguas subterráneas puede ocurrir por sistemas de saneamiento in situ , lixiviados de vertederos , efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales , fugas de alcantarillado, estaciones de servicio de gasolina , fracturación hidráulica (fracking) o por la aplicación excesiva de fertilizantes en la agricultura . La polución (o polución) también puede ocurrir por contaminantes que ocurren naturalmente, como el arsénico o el fluoruro . [ 70 ] El uso de aguas subterráneas contaminadas causa peligros para la salud pública a través de intoxicaciones o la propagación de enfermedades ( enfermedades transmitidas por el agua ).

El contaminante suele producir una pluma 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 pluma, puede intersectar pozos de agua subterránea y aguas superficiales, como filtraciones y manantiales, haciendo que los suministros de agua no sean seguros para los seres humanos y la vida silvestre. El movimiento de la pluma, llamado frente de la pluma, puede analizarse mediante un modelo de transporte hidrológico o un modelo de aguas subterráneas . 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 influyen en el transporte de contaminantes en las aguas subterráneas, por ejemplo, difusión , adsorción , precipitación , descomposición .

cambio climático

Una mujer extrae agua de 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 mediante el aumento de la evapotranspiración . [ 24 ] : 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 zonas áridas . [ 28 ] : 1091 Parte de este aumento en el riego puede deberse a problemas de escasez de agua agravados por los efectos del cambio climático en el ciclo del agua . La redistribución directa del agua por actividades humanas que asciende a ~24 000  km³ por año es aproximadamente el doble de la recarga global de agua subterránea cada año. [ 28 ]

El cambio climático provoca alteraciones en el ciclo del agua que, a su vez, afectan a las aguas subterráneas de diversas maneras: puede producirse una disminución del almacenamiento de agua subterránea, una reducción de la recarga de agua subterránea y un deterioro de la calidad del agua debido a fenómenos meteorológicos extremos. [ 71 ] : 558 En los trópicos, las precipitaciones intensas y las inundaciones parecen conducir a una mayor recarga de agua subterránea. [ 71 ] : 582

Sin embargo, los impactos exactos del cambio climático en las aguas subterráneas aún están bajo investigación. [ 71 ] : 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 aguas subterráneas". [ 71 ] : 579

Los efectos del cambio climático podrían tener diferentes impactos en el almacenamiento de agua subterránea: Los eventos de lluvia más intensos (pero menos frecuentes) podrían conducir a una mayor recarga de agua subterránea en muchos entornos. [ 24 ] : 104 Pero los períodos de sequía más intensos podrían provocar el secado y la compactación del suelo, lo que reduciría la infiltración al agua subterránea. [ 72 ]

En las regiones de mayor altitud, la menor duración y cantidad de nieve puede provocar una menor recarga de las aguas subterráneas en primavera. [ 71 ] : 582 Los impactos del retroceso de los glaciares alpinos en los sistemas de aguas subterráneas no se comprenden bien. [ 24 ] : 106

El aumento global del nivel del mar debido al cambio climático ha provocado la intrusión de agua de mar en los acuíferos costeros de todo el mundo, especialmente en zonas bajas e islas pequeñas. [ 71 ] : 611 Sin embargo, la extracción de agua subterránea suele ser la principal causa de la intrusión de agua de mar, más que el aumento del nivel del mar (véase la sección sobre intrusión de agua de mar ). [ 24 ] : 5 La intrusión de agua de mar amenaza los ecosistemas costeros y la resiliencia de los medios de subsistencia. Bangladesh es un país vulnerable a este problema, y ​​el bosque de manglares de Sundarbans es un ecosistema vulnerable. [ 71 ] : 611

La contaminación de las aguas subterráneas también puede aumentar indirectamente debido al cambio climático: las 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. [ 71 ] : 611 Las sequías reducen la capacidad de dilución de los ríos y los niveles de agua subterránea, aumentando el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas.

Los sistemas acuíferos vulnerables al cambio climático incluyen los siguientes ejemplos (los cuatro primeros 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): [ 24 ] : 109

  1. sistemas acuíferos costeros y deltaicos de bajo relieve,
  2. sistemas acuíferos en latitudes continentales del norte o regiones alpinas y polares
  3. acuíferos en ciudades de bajos ingresos en rápida expansión y en grandes comunidades desplazadas e informales.
  4. acuíferos aluviales poco profundos que se encuentran debajo de ríos estacionales en zonas áridas,
  5. Sistemas de bombeo intensivo de acuíferos para riego alimentado por aguas subterráneas en zonas áridas.
  6. acuíferos bombeados intensivamente para ciudades de zonas áridas
  7. acuíferos costeros sometidos a bombeo intensivo
  8. sistemas acuíferos de baja capacidad de almacenamiento y baja recarga en zonas áridas

adaptación al cambio climático

El uso de más agua subterránea, particularmente en el África subsahariana, se considera un método de adaptación al cambio climático en caso de que este provoque sequías más intensas o frecuentes. [ 73 ]

Las adaptaciones al cambio climático basadas en aguas subterráneas aprovechan el almacenamiento distribuido de agua subterránea y la capacidad de los sistemas acuíferos para almacenar excedentes de agua estacionales o episódicos. [ 24 ] : 5 Generan pérdidas por evaporación sustancialmente menores que la infraestructura convencional, como las represas superficiales. Por ejemplo, en África tropical , el bombeo de agua desde el almacenamiento de aguas subterráneas puede ayudar a mejorar la resiliencia climática del suministro de agua y alimentos. [ 24 ] : 110

mitigación del cambio climático

El desarrollo de la energía geotérmica , una fuente de energía sostenible , desempeña un papel importante en la reducción de las emisiones de CO₂ y , por lo tanto, en la mitigación del cambio climático . [ 24 ] : 5 El agua subterránea es un agente en el almacenamiento, movimiento y extracción de energía geotérmica. [ 24 ] : 110

En naciones pioneras, como los Países Bajos y Suecia, el suelo/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 . [ 24 ] : 113

Los acuíferos profundos también pueden utilizarse para la captura y el secuestro de carbono , el proceso de almacenar carbono para frenar la acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera. [ 24 ] : 5

gobernanza de las aguas subterráneas

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

Los procesos de gobernanza de las aguas subterráneas permiten la gestión, la planificación y la implementación de políticas relacionadas con las aguas subterráneas. Se llevan a cabo en múltiples escalas y niveles geográficos, incluyendo escalas regionales y transfronterizas. [ 24 ] : 2

La gestión de las aguas subterráneas está orientada a la acción, centrándose en actividades prácticas de implementación y operaciones cotidianas. Debido a que las aguas subterráneas suelen percibirse como un recurso privado (es decir, estrechamente vinculado a la propiedad de la tierra y, en algunas jurisdicciones, tratado como propiedad privada), la regulación y la gobernanza y gestión jerárquicas resultan difíciles. Los gobiernos deben asumir plenamente su papel como custodios de los recursos, teniendo en cuenta los aspectos de bien común de las aguas subterráneas. [ 24 ] : 2

Las leyes y reglamentos nacionales regulan el acceso a las aguas subterráneas, así como las actividades humanas que afectan su calidad. Los marcos legales también deben incluir la protección de las zonas de descarga y recarga, así como del área circundante a los pozos de abastecimiento de agua, normas de rendimiento sostenible , controles de extracción y regulaciones de uso conjunto. En algunas jurisdicciones, las aguas subterráneas se regulan conjuntamente con las aguas superficiales, incluidos los ríos. [ 24 ] : 2

Por país

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

La región árabe es una de las más pobres en agua del mundo, y el agua subterránea es la fuente de agua más utilizada en al menos 11 de los 22 estados árabes. La sobreexplotación del agua subterránea en muchas partes de la región ha provocado el descenso del nivel freático, especialmente en zonas densamente pobladas y agrícolas. [ 24 ] : 7

Véase también

Referencias

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  • IAH, Asociación Internacional de Hidrogeólogos
  • Plataforma en línea del Proyecto de Aguas Subterráneas para el conocimiento sobre aguas subterráneas
  • Proyecto de investigación de UGPRO de 7 años sobre el "Potencial del agua subterránea para los pobres" (2013-2020)
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