1. INTRODUCCIÓN
La pregunta de cuánta agua puede ser bombeada de un acuífero sin que éste deje
de ser sostenible no tiene una
respuesta clara. En principio, la decisión parece estar relacionada con
hidrogeología.
En las últimas dos décadas, se ha demostrado ampliamente que la sostenibilidad de un acuífero tiene poco que ver con sus propiedades hidrogeológicas (Alley et al., 1999). La atención se centra ahora en la preservación de los ecosistemas y los derechos de agua establecidos (Ponce, 2014). Este cambio de paradigma se debe al hecho de que las aguas subterráneas no son un volumen a extraer, sino más bien un flujo a reconocer. En su artículo seminal sobre hidrogeología, Theis (1940) escribió:
En este artículo tratamos el tema de la cuantificación de la sostenibilidad del
agua subterránea.
2. FLUJO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS El flujo de agua subterránea es extremadamente complejo, variando en el espacio (en tres dimensiones) y el tiempo (a través de varias escalas). En general, los acuíferos pueden clasificarse en: (a) confinados o no confinados, y/o (b) cuaternarios (aluviales) o terciarios (rocas fracturadas) (Ponce, 2006). Una evaluación de la sostenibilidad dependerá en gran medida del tipo de acuífero y de la escala del problema; es muy probable que trascienda la hidrogeología para abarcar una gama de campos afines (Ponce, 2007). En este artículo nos enfocamos principalmente en acuíferos no confinados, predominantemente aluviales de tamaño local o regional, como una primera aproximación al análisis. Toda el agua subterránea está en constante movimiento desde una zona de mayor potencial a una zona de menor potencial, siendo el océano más cercano el destino final de toda el agua subterránea. Sin embargo, dependiendo de la geomorfología del terreno, el agua subterránea podría eventualmente exfiltrar a los humedales y cuerpos de agua permanentes, o aparecer como el flujo base de los ríos (Fig. 1). Está claro que las aguas superficiales y subterráneas están intrínsecamente conectadas: El agua subterránea puede convertirse en agua superficial en el espacio y el tiempo, y viceversa. De ello se desprende que la explotación del agua subterránea podría afectar el agua superficial y otras partes del ciclo hidrológico en las cercanías (Ponce, 2014).
Para ahondar aún más en la complejidad del problema, reconocemos que un análisis de
aguas subterráneas adolece de un gran limitante: El tamaño del volumen de control
no es fijo. Como todas las aguas subterráneas están conectadas, definir los
límites de un volumen de control es forzosamente un ejercicio arbitrario. A diferencia
del agua superficial, que está restringida al límite pertinente de cuenca, no existe un
límite similar o correspondiente para el flujo de agua subterránea. Haciendo eco de la declaración de Theis, reiteramos que el agua subterránea no es un volumen, sino un flujo. Un volumen de control definido arbitrariamente tendrá: (1) flujo de entrada (recarga), (2) flujo de salida (descarga) y (3) volumen almacenado de agua subterránea (agua que llena los poros del suelo o las fracturas de las rocas). El bombeo constituye una demanda externa, y su descarga se origina en cualquiera o en todos los tres componentes antes mencionados. Bajo esta óptica, tres escenarios son posibles (Fig. 2):
En un sistema típico de aguas subterráneas, la recarga consiste en todo el flujo que ingrese al volumen de control. Esto comprende:
Debe tenerse en cuenta que en un sistema altamente desarrollado, la recarga vertical puede incluir cantidades de reposición artificial de agua subterránea, recarga rechazada o flujos de retorno (Ponce, 2007). La descarga del volumen de control consiste en:
La cantidad de percolación profunda es en gran medida intratable. Usualmente se considera que es una fracción relativamente pequeña de la precipitación (un promedio global de ~ 2%) y, por lo tanto, insignificante en términos prácticos (L'vovich, 1979). En otras palabras, la filtración profunda es la pequeña fracción de precipitación que efectivamente cesa de formar parte de las aguas superficiales. La Figura 3 muestra un esquema de los diversos flujos que prevalecen en el agua subterránea.
3. USO SOSTENIBLE DE AGUAS SUBTERRÁNEAS
El tema central de la sostenibilidad es determinar cuánta agua se puede
extraer de un acuífero sin que éste deje de ser
sostenible (Alley et al., 1999). En el caso
típico, la reposición del acuífero es lenta, demorando décadas, si no cientos o miles de años. Por lo tanto,
se deduce que el bombeo excesivo de aguas subterráneas puede conducir al agotamiento y la consecuente falta
de sostenibilidad.
Como un acuífero puede agotarse fácilmente mediante un bombeo excesivo, podría pensarse que la solución es
dejar los acuíferos sin explotar y usar sólo las aguas superficiales. A diferencia de las aguas subterráneas, el tiempo
de reciclaje de las aguas superficiales es un promedio global de
La discusión entonces se desplaza a los componentes del balance de agua subterránea.
El riego agrícola es el ejemplo clásico de uso consuntivo, particularmente cuando las aguas de drenaje (y el drenaje es sin duda una necesidad imperiosa en regiones áridas/semiáridas) se recolectan y eliminan de las instalaciones a través del flujo superficial (Fig. 4). Otros usos (domésticos o industriales) pueden ser consuntivos o parcialmente consuntivos, dependiendo de la situación local.
Si bien el concepto de rendimiento sostenible ha sido reconocido sólo recientemente (Alley et al., 1999), el más antiguo concepto de rendimiento seguro ha existido
por casi más de un siglo ¿Cuánta debe ser la descarga residual cuando se evalúa el rendimiento sostenible? En los casos en los que la descarga capturada debe minimizarse debido a la existencia de derechos de terceros aguas abajo (manantiales, humedales y/o flujo de base), se deduce que muy poco o nada de la recarga casi horizontal podría capturarse sin comprometer los derechos de terceros. Bajo condiciones de no equilibrio, el bombeo del 100% de la recarga natural teóricamente podría resultar en la captura de hasta el 50% de la descarga natural (Fig. 2). En el límite asintótico, es decir, en condiciones de quasi equilibrio, casi cualquier cantidad de captura provendría de la descarga y podría comprometer derechos adquiridos aguas abajo. Esta imagen un poco sombría mejora cuando se reconoce que la descarga vertical, es decir, la fracción de precipitación local que logra alcanzar el nivel freático, no se incluye específicamente en la determinación de la recarga (casi horizontal). Por lo tanto, una resolución del conflicto de derechos entre las aguas superficiales y subterráneas podría ser la captura de una fracción o la totalidad de la recarga vertical. Este cambio de captura casi horizontal a vertical se basa en el hecho de que la recarga casi horizontal es de alcance regional, mientras que la recarga vertical es esencialmente local. Bajo esta óptica espacial, toda recarga vertical podría estar sujeta a captura. Además, al basar la determinación del rendimiento sostenible únicamente en la recarga vertical probablemente disminuya el argumento de que la captura mediante bombeo podría afectar negativamente a los ecosistemas y aguas superficiales vecinas. 4. EL BALANCE HIDROLÓGICO CIBERNÉTICO Con el fin de cuantificar adecuadamente la recarga vertical y, por lo tanto, poder manejar el rendimiento sostenible del agua subterránea, recurrimos al equilibrio o balance hidrológico cibernético, el cual es más adecuado para la hidrología de rendimiento que el balance convencional (L'vovich, 1979; Ponce, 2018). En el enfoque cibernético del equilibrio hidrológico, la precipitación anual se separa en dos componentes (Fig. 5):
en donde S = escurrimiento superficial, es decir, la fracción de escurrimiento que se origina en la superficie terrestre, y
A su vez, el humedecimiento se divide en dos componentes:
en donde U = caudal base, es decir, la fracción de humectación que se filtra como el flujo de corrientes y ríos en seco, y V = vaporización, es decir, la fracción de humectación regresa a la atmósfera como vapor de agua. Escorrentía (es decir, escorrentía total) es la suma de la escorrentía superficial y el caudal base:
Combinando las Ecs. 1 a 3:
Las Ecuaciones 1 a 4 constituyen un conjunto de ecuaciones de balance hídrico. Se pueden definir cuatro coeficientes de balance hídrico: (1) coeficiente de escorrentía, (2) coeficiente de flujo base, (3) coeficiente de humectación y (4) coeficiente de recarga. El coeficiente de escorrentía es:
El coeficiente de flujo de base es:
El coeficiente de humectacion o humedecimiento es:
El coeficiente de recarga del agua subterránea es:
5. ESTUDIO DE CASO La metodología descrita en este artículo es aplicada a los datos de la cuenca del río Sarada, aguas arriba de Anakapalli, en Andhra Pradesh, India (Fig. 6). La cuenca está situada entre los Ghats orientales y la costa oriental de la India, y presenta un clima subhúmedo (Ponce et al., 2000), con un área de drenaje de 1 980 km2 .
Se analizan once (11) años de datos de precipitación-escorrentía. Los datos de precipitación consisten en hietogramas de lluvia diaria y los datos de escorrentía consisten en el hidrograma medido en la boca, o salida, de la cuenca. Los hietogramas anuales se usan para calcular la precipitación anual P (mm). Cada hidrograma anual se integra para obtener la escorrentía R (mm). La escorrentía superficial S (mm) se obtiene por separación del hidrograma utilizando principios establecidos (Ponce, 2014). La matriz de P-R-S se usa para calcular el balance hídrico en línea 2. La Figura 7 muestra los resultados tabulares del programa en línea, con el coeficiente de recarga de agua subterránea Kg en la Col. 11. La Figura 8 representa Kg versus la precipitación anual media P, en orden ascendente de precipitación. Obsérvese que la tendencia general es a un aumento en Kg con un aumento en P.
6. COEFICIENTES DE RECARGA Y RENDIMIENTO SOSTENIBLE La recarga vertical del agua subterránea es la fracción de precipitación que alcanza el nivel freático. Para cualquier precipitación anual, el coeficiente de recarga puede interpretarse como la cantidad de agua que podría capturarse por bombeo, al mismo tiempo que se garantiza un rendimiento sostenible. Ostensiblemente, esta estrategia no compromete ninguna parte de la recarga (o descarga) casi horizontal. Cabe notar que la conversión de la descarga en recarga, como resultado directo del bombeo, ha sido un punto contencioso en las evaluaciones de recursos de agua subterránea desde hace muchos años (Kazmann, 1956). Para cualquier cuenca hidrográfica, el coeficiente de recarga debe evaluarse siguiendo un balance hidrológico cibernético (Ponce, 2018). Dada la variabilidad hidrológica natural, en cualquier año, la producción sostenible de agua subterránea, es decir, la cantidad permisible de captura, podría basarse prácticamente en la cantidad de precipitación que ocurrió en el año anterior. Las cantidades de recarga artificial y/o los flujos de retorno, de haberlos, pueden agregarse a la recarga vertical (natural) (Ponce, 2007). 7. RESUMEN Y CONCLUSIONES Los conceptos de rendimiento seguro y rendimiento sostenible del agua subterránea se analizan y comparan en el contexto de un balance hidrológico. Todos los flujos de recarga y descarga son debidamente contabilizados. Como el agua subterránea es un flujo, no un volumen, el aprovechar la recarga natural casi horizontal puede comprometer los derechos de otros usuarios en las cercanías, incluidos los ecosistemas naturales, humedales, cuerpos de agua, y el flujo base de los ríos. Aquí argumentamos que la recarga vertical, es decir, la recarga que se origina en la precipitación local, es la única recarga que puede ser aprovechada libremente en la captura de aguas subterráneas si el objetivo es evitar comprometer los derechos de terceros. Se desarrolla una metodología para evaluar la recarga vertical. La metodología se basa en el equilibrio o balance hidrológico cibernético de L'vovich, incluida la definición de un coeficiente de recarga de agua subterránea (L'vovich, 1979). Este coeficiente representa la fracción de precipitación que alcanza el nivel freático; por lo tanto, se puede usar para evaluar el rendimiento sostenible del agua subterránea. Cualquier cantidad de captura de aguas subterráneas por encima de la recarga vertical debería demostrar, mediante estudios ecohidrológicos y de flujo de base, que no afecta significativamente los derechos establecidos. La calculadora enlínea balance hídrico 2 asiste al análisis. RECONOCIMIENTOS
Los autores desean reconocer a Donna Tisdale y a los vecinos de la comunidad de Boulevard, en el sureste del condado de San Diego, California, EE.UU., por su apoyo a la investigación teórica y aplicada en el tema de la sostenibilidad del agua subterránea en los últimos 12 años. Los datos de la cuenca del río Sarada fueron proporcionados por el Dr. Y. R. S. Rao, científico del Instituto Nacional de Hidrología, Roorke, India. BIBLIOGRAFÍA
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200925 21:00 |