13.1: Abastecimiento de Agua Dulce y Ciclo del Agua

El agua, el aire y los alimentos son los recursos naturales más importantes para las personas. Los humanos pueden vivir solo unos minutos sin oxígeno, menos de una semana sin agua, y alrededor de un mes sin comida. El agua también es esencial para nuestro suministro de oxígeno y alimentos. Las plantas descomponen el agua y la utilizan para crear oxígeno durante el proceso de fotosíntesis.

Los bebés humanos son aproximadamente 75% de agua, y los adultos son 60% agua. Nuestro cerebro tiene aproximadamente 85% de agua, la sangre y los riñones son 83% de agua, los músculos son 76% de agua, e incluso los huesos son 22% de agua. Constantemente perdemos agua por transpiración. En climas templados debemos beber alrededor de dos cuartos de agua al día, y las personas en climas cálidos desérticos deben beber hasta 10 cuartos de agua por día. La pérdida de 15% del agua corporal generalmente causa la muerte.

Embalses de Agua

El agua es la única sustancia común que se presenta naturalmente en la Tierra en tres formas: sólida, líquida y gaseosa. La hidrosfera es el área de la Tierra donde se produce el movimiento del agua y el almacenamiento de agua. Los reservorios de agua son los lugares donde se almacena el agua. (Tenga en cuenta que este término también puede referirse a lagos artificiales creados por presas.) El agua se encuentra como líquido en la superficie (ríos, lagos, océanos) y debajo de la superficie (agua subterránea), como hielo (casquetes polares y glaciares), y como vapor de agua en la atmósfera. La figura\(\PageIndex{a}\) ilustra el tiempo promedio que una molécula de agua individual puede pasar en los principales reservorios de agua de la Tierra. El tiempo de residencia es una medida del tiempo promedio que una molécula de agua individual permanece en un reservorio particular.

Figura\(\PageIndex{a}\): Tiempo promedio de residencia que el agua permanece en cada reservorio. El agua permanece en los organismos durante aproximadamente una semana, en la atmósfera durante 1.5 semanas, en ríos durante dos semanas, como humedad del suelo de dos semanas a un año, en pantanos durante 1-10 años, en lagos durante 10 años, en océanos y mares durante 4,000 años, como agua subterránea durante 2 semanas a 10,000 años, y en glaciares o como permafrost durante 1,000-10,000 años. Imagen de OpenStax (CC-BY).

La Tierra es verdaderamente el Planeta Agua. La abundancia de agua líquida en la superficie de la Tierra nos distingue de otros cuerpos del sistema solar. Alrededor del 71% de la superficie de la Tierra está cubierta por agua, y aproximadamente la mitad de la superficie de la Tierra está oscurecida por nubes (también hechas de agua) en cualquier momento. Hay un volumen muy grande de agua en nuestro planeta, alrededor de 1.4 mil millones de kilómetros cúbicos (km ³) = 330 millones de millas cúbicas, o alrededor de 53 mil millones de galones por persona en la Tierra. Toda el agua de la Tierra podría cubrir Estados Unidos a una profundidad de 145 km (90 millas).

A pesar de los vastos volúmenes de agua en la Tierra, solo 2.5% es agua dulce (cifra\(\PageIndex{b}\)), y solo 0.01% está disponible para que los humanos lo usen. Si toda el agua del mundo se encogiera al tamaño de 1 galón, entonces la cantidad total de agua dulce sería de aproximadamente 1/3 taza, y la cantidad de agua dulce fácilmente utilizable sería de 2-3 cucharadas. Gran parte del agua dulce de la Tierra está atrapada en glaciares y casquetes polares (figura\(\PageIndex{c}\)), y esta agua está ubicada de manera inconveniente, principalmente en la Antártida y Groenlandia. El agua subterránea poco profunda (agua ubicada debajo de la superficie de la Tierra) es el mayor reservorio de agua dulce utilizable. Muchos organismos dependen de las aguas superficiales, como lagos y ríos, que comprenden una pequeña fracción de agua dulce en la Tierra. La falta de estas aguas superficiales puede tener efectos negativos en los ecosistemas.

Figura\(\PageIndex{b}\): Gráfico de barras de la distribución del agua de la Tierra, incluyendo agua global total, agua dulce y agua superficial. Los océanos son los reservorios de agua más grandes de la Tierra, y solo el 2.5% del agua de la Tierra es agua dulce. La mayor parte de este agua dulce (68.7%) se encuentra en glaciares y casquetes de hielo, 30.1% es agua subterránea y 1.2% es de superficie y otras aguas dulces. De este 1.2%, 3.0% se encuentra en la atmósfera, 0.26% en seres vivos, 0.49% en ríos, 2.6% en pantanos y pantanos, 3.8% como humedad del suelo, 20.9% en lagos y 69.0% como hielo molido y permafrost. Imagen de USGS/Igor Shiklomanov (dominio público).

Figura\(\PageIndex{c}\): Glaciar de montaña en Argentina. Los glaciares son el mayor reservorio de agua dulce, pero no son utilizados mucho como recurso hídrico directamente por la sociedad debido a su distancia de la mayoría de las personas. Fuente: Luca Galuzzi — www.galuzzi.it

El ciclo del agua

El ciclo del agua (ciclo hidrológico) muestra el movimiento del agua a través de diferentes embalses, que incluyen océanos, atmósfera, glaciares, aguas subterráneas, lagos, ríos y organismos (figura\(\PageIndex{d}\)). La energía solar, que calienta los océanos y otras aguas superficiales, y la gravedad impulsan el movimiento del agua en el ciclo del agua. Esto conduce a la evaporación (agua líquida a vapor de agua) del agua superficial líquida, sublimación (hielo a vapor de agua) del agua congelada y transpiración (la pérdida de agua de las plantas a la atmósfera). Cuando el agua en el suelo es captada por las raíces de las plantas, se mueve a través de tubos en la planta (el sistema vascular), se evapora dentro del espacio de la hoja y traspira a través de los estomas (pequeñas aberturas microscópicas) de las hojas. Los ecologistas combinan transpiración y evaporación en un solo término que describe el agua devuelta a la atmósfera: la evapotranspiración. Así, grandes cantidades de agua se mueven a la atmósfera como vapor de agua.

Figura\(\PageIndex{d}\): El ciclo del agua. Las flechas representan el movimiento del agua a diferentes reservorios ubicados por encima, en y debajo de la superficie de la Tierra. La evapotranspiración y subliminación agregan agua a la atmósfera, donde se condensa para formar nubes. Así, el agua se almacena en la atmósfera. A través de la precipitación, el agua regresa a la superficie de la Tierra. Cuando la precipitación ocurre a gran altura, el agua se almacena como nieve o hielo. Cuando la nieve se derrite, la escorrentía resultante puede agregarse a los arroyos. El agua de la precipitación también puede infiltrarse para reponer el almacenamiento de agua subterránea o formar escorrentía superficial. La descarga de agua subterránea, el agua de arroyos y la escorrentía superficial desembocan en cuerpos de agua dulce y océano Fuente: Servicio Geológico de los Estados Unidos

El vapor de agua en la atmósfera puede migrar largas distancias del océano a la tierra a través de los vientos predominantes. Sobre el océano o la tierra, el aire puede enfriarse y hacer que el agua se condense nuevamente en agua líquida. Esto suele ocurrir en forma de gotitas de agua muy pequeñas que se forman alrededor de una pieza microscópica de polvo o sal llamada núcleos de condensación. Estas pequeñas gotas de agua son visibles como una nube. Las nubes se acumulan y una vez que las gotas de agua son lo suficientemente grandes, caen a la tierra como precipitación (lluvia, nieve, granizo o aguanieve), que devuelve el agua a la superficie de la Tierra.

Las precipitaciones que llegan a la tierra pueden regresar inmediatamente a la atmósfera, agregarse a las aguas subterráneas o formar escorrentías superficiales. En la mayoría de los ambientes terrestres naturales, la lluvia encuentra vegetación antes de que llegue a la superficie del suelo. Un porcentaje significativo de agua se evapora inmediatamente de las superficies de las plantas o directamente de la superficie del suelo. El agua subterránea se repone cuando el agua se infiltra en el suelo y finalmente llena los espacios de poro entre las partículas en la tierra, la arena y la grava o en las fisuras en las rocas. El agua subterránea se mueve lentamente a través de rocas y materiales no consolidados y parte de ella finalmente llega nuevamente a la superficie, donde se descarga como manantiales y en arroyos, lagos y el océano. Muchos arroyos fluyen no porque se repongan directamente del agua de lluvia sino porque reciben una afluencia constante del agua subterránea de abajo. Además, las aguas superficiales en arroyos y lagos pueden infiltrarse nuevamente para recargar las aguas subterráneas. Por lo tanto, los sistemas de aguas superficiales y subterráneas están conectados. El agua subterránea también puede finalmente fluir hacia el océano a través del flujo subsuperficial del agua subterránea, pero algunas aguas subterráneas se encuentran muy profundas en el lecho rocoso y pueden persistir allí durante milenios. La escorrentía superficial es el flujo de agua dulce sobre la tierra, ya sea de lluvia o hielo derretido. La escorrentía puede abrirse paso a través de arroyos y lagos hasta los océanos. La escorrentía superficial ocurrirá solo si el suelo se satura de agua en una lluvia intensa.

Los pasos del ciclo del agua se explican en el siguiente video.

La salinidad y el ciclo del agua

Una parte importante del ciclo del agua es cómo varía el agua en salinidad, que es la abundancia de iones disueltos en el agua. El agua salada en los océanos es altamente salina, con cerca de 35,000 mg de iones disueltos por litro de agua de mar. La evaporación es un proceso de destilación que produce agua casi pura y casi sin iones disueltos. A medida que el agua se vaporiza, deja los iones disueltos en la fase líquida original. Eventualmente, la condensación forma nubes y, a veces, precipitación. Después de que el agua de lluvia cae sobre tierra, disuelve minerales en roca y suelo, lo que aumenta su salinidad. La lluvia y la escorrentía superficial son las principales formas en que los minerales, incluidos el fósforo y el azufre, se ciclan de la tierra al agua. Los efectos ambientales de la escorrentía se discutieron en Ciclos Biogeoquímicos. El agua dulce (como lagos, ríos y aguas subterráneas cercanas a la superficie) tiene una salinidad relativamente baja.

Interacciones humanas con el ciclo del agua

Los humanos alteran el ciclo del agua extrayendo grandes cantidades de agua dulce de las aguas superficiales y subterráneas (ver Uso del agua). Adicionalmente, los cambios en el uso del suelo, como la deforestación, la agricultura y la urbanización, reducen la cobertura vegetal, lo que reduce la infiltración y aumenta la escorrentía superficial. (La vegetación atrapa naturalmente la precipitación a medida que cae, ralentiza la escorrentía de la superficie del flujo y aumenta la tasa de infiltración). Esto intensifica las inundaciones y exacerba la erosión, disminuyendo la calidad del suelo y provocando contaminación por sedimentos en el agua. Adicionalmente, los humanos redirigen el flujo de agua mediante la construcción de presas y acueductos (figura\(\PageIndex{e}\)). Tanta agua es removida o redirigida del río Colorado en el oeste de Estados Unidos que, a pesar de su considerable tamaño, en algunos años se seca antes de llegar al mar en México. En un ejemplo extremo, el Mar de Aral en Asia Central ha disminuido a solo 10% de su tamaño inicial después de que el agua fue desviada para la agricultura (ver este estudio de caso para más detalles).

Figura\(\PageIndex{e}\): El Acueducto de California transporta el agua necesaria para la agricultura desde el norte de California hasta el sur de California. Imagen por USGS (dominio público).

Recursos Hídricos

Los recursos de agua dulce se repone en última instancia por la precipitación Esta agua se puede obtener entonces de las aguas superficiales, como ríos y lagos, y de acuíferos, que almacenan aguas subterráneas.

Recursos Primarios de Agua Dulce: Precipitación

Los niveles de precipitación se distribuyen de manera desigual en todo el mundo, afectando la disponibilidad de agua dulce (figura\(\PageIndex{f}\)). En general, debido al calentamiento desigual de la Tierra y las células de circulación de aire global resultantes de la rotación de la Tierra, el aire se eleva cerca del ecuador y cerca de 60° de latitud norte y sur y se hunde en los polos y 30° de latitud norte y sur. Como se discutió en Efectos climáticos sobre biomas, la intensa luz solar en el ecuador calienta el aire, provocando que se eleve y se enfríe, lo que disminuye la capacidad de la masa de aire para retener vapor de agua y resulta en frecuentes tormentas pluviales. Alrededor de 30 grados de latitud norte y sur, las condiciones de aire descendente producen aire más cálido, lo que aumenta su capacidad de retener vapor de agua y resulta en condiciones secas. Tanto las condiciones del aire seco como las temperaturas cálidas de estos cinturones de latitud favorecen la evaporación.

El tamaño de los continentes, las montañas, los vientos predominantes, los patrones de circulación oceánica e incluso la proximidad de cuerpos de agua pueden afectar los patrones climáticos locales. Por ejemplo, cuando los vientos fríos soplan a través del relativamente cálido Great Salt Lake, el aire se calienta, lo que hace que recoja humedad. Este aumento local en el contenido de humedad del aire puede eventualmente caer como nieve o lluvia en las montañas cercanas, un fenómeno conocido como “precipitación de efecto lago”.

Figura\(\PageIndex{f}\): Promedio anual de precipitaciones por país en 2014. Los países con mayor precipitación (3000-3500 mm) son Nicaragua, Costa Rica, Panamá, Colombia, Sierra Leona (en África Occidental), Bangladesh, y muchas de las islas es el sudeste asiático. Los países con menos precipitaciones (0-100 mm) son Arabia Saudita y varios países del norte de África. Estados Unidos tiene precipitaciones intermedias (500-750 mm). Las selvas tropicales del mundo crecen en áreas con altas precipitaciones mientras que las áreas con muy poca lluvia son desiertos. Imagen modificada de Nuestro Mundo en Datos/Banco Mundial (CC-BY).

En Estados Unidos, el Meridiano 100 marca aproximadamente el límite entre las partes húmedas y áridas del país (figura\(\PageIndex{g}\)). Se requiere riego para cultivar cultivos al oeste del Meridiano 100. En Occidente, el agua superficial se almacena en embalses (lagos artificiales) y paquetes de nieve de montaña y se libera estratégicamente a través de un sistema de canales en tiempos de alto uso.

Figura\(\PageIndex{g}\): Distribución de la precipitación en Estados Unidos. El Meridiano 100 es aproximadamente donde la precipitación promedio pasa de relativamente húmeda a seca. Los estados orientales son en su mayoría verdes, lo que indica mayor precipitación que la mayoría de los estados occidentales, los cuales son principalmente anaranjados o rojos (indicando baja precipitación) (Fuente: Servicio Geológico de los Estados Unidos)

Aguas Superficiales: Ríos y Lagos

Los ríos son un importante recurso hídrico para el riego de tierras de cultivo y agua potable para muchas ciudades del mundo. El agua que fluye de la lluvia y la nieve derretida en tierra ingresa a los canales de los ríos por escorrentía superficial (figura\(\PageIndex{h}\)) y filtración de la tierra circundante. El área geográfica drenada por un río y sus afluentes se denomina cuenca hidrográfica. La cuenca del río Mississippi incluye aproximadamente el 40% de Estados Unidos, una medida que incluye las cuencas más pequeñas, como el río Ohio y el río Missouri que ayudan a comprenderla. Los ríos que han tenido disputas internacionales sobre el suministro de agua incluyen Colorado (México, suroeste de Estados Unidos), Nilo (Egipto, Etiopía, Sudán), Éufrates (Irak, Siria, Turquía), Ganges (Bangladesh, India) y Jordania (Israel, Jordania, Siria).

Figura\(\PageIndex{h}\): Escurrimiento superficial, parte del flujo terrestre en el ciclo del agua Fuente: James M. Pease en Wikimedia Commons

Además de los ríos, los lagos también pueden ser una excelente fuente de agua dulce para uso humano. Por lo general, reciben agua de la escorrentía superficial y las aguas subterráneas. Al construir presas, las personas crean lagos artificiales (embalses).

Recursos Subterráneos

Aunque la mayoría de la gente en el mundo usa agua superficial, el agua subterránea es un reservorio mucho más grande de agua dulce utilizable, que contiene más de 30 veces más agua que los ríos y lagos combinados. Una gran área de subsuelo, unidad de roca porosa o sedimento que contiene aguas subterráneas extraíbles es un acuífero. La zona saturada de un acuífero es donde el agua subterránea llena completamente los espacios de poro en los materiales terrestres. El nivel freático es el nivel más alto en el que los poros están completamente saturados de agua (figura\(\PageIndex{i}\)).

Figura\(\PageIndex{i}\): Las zonas insaturadas y saturadas de un acuífero, que almacena agua subterránea. El nivel freático es el nivel superior de la zona saturada. La superficie del suelo está cubierta de vegetación, y la parte superior del agua superficial es continua con el nivel freático. La parte inferior de la imagen muestra roca con grietas (izquierda) y grava (derecha), las cuales contienen espacios que almacenan aire y agua. Por encima del nivel freático, el agua (no el agua subterránea) se mantiene por atracción molecular y rodea las superficies de las partículas de roca. Todas las aberturas debajo del nivel freático están llenas de nivel freático. Imagen de USGS (dominio público)

Una combinación de un lugar para poner agua (porosidad) y la capacidad de mover el agua (permeabilidad) hace un buen acuífero. La porosidad es una medida del espacio abierto en las rocas, expresado como el porcentaje de espacio abierto que constituye el volumen total de la roca o material sedimentario. La permeabilidad es una medida de la interconexión de los poros en una roca o sedimento. Las conexiones entre los poros permiten que ese material transmita agua. La porosidad y permeabilidad son funciones de la composición de las partículas del suelo. Por ejemplo, las arcillas generalmente tienen una porosidad muy alta, pero los poros están mal conectados, lo que provoca baja permeabilidad.

Los acuíferos se perforan comúnmente y se instalan pozos para proporcionar agua para la agricultura y el uso personal. En muchos casos los acuíferos se están agotando más rápido de lo que están siendo reabastecidos por el agua que se infiltra desde arriba. El agua subterránea es un recurso particularmente importante en climas áridos, donde las aguas superficiales pueden ser escasas. Además, el agua subterránea es la principal fuente de agua para los propietarios rurales, proporcionando el 98% de esa demanda de agua en Estados Unidos.

Como el agua subterránea se bombea desde pozos de agua, generalmente hay una caída localizada en el nivel freático alrededor del pozo llamado cono de depresión (figura\(\PageIndex{j}\)). Cuando hay una gran cantidad de pozos que llevan mucho tiempo bombeando agua, el nivel freático regional puede caer significativamente. A esto se le llama minería de aguas subterráneas, que puede forzar la perforación de pozos más profundos y caros que comúnmente encuentran más aguas subterráneas salinas. Los ríos, lagos y lagos artificiales (embalses) también pueden agotarse debido al uso excesivo. Algunos ríos grandes, como el Colorado en Estados Unidos y el Amarillo en China, se secan en algunos años.

Figura\(\PageIndex{j}\): A medida que el agua subterránea se extrae del pozo, el nivel freático del acuífero se sumerge, formando un cono de depresión. La reducción es entre el nivel freático y el cono de depresión. La precipitación está representada por gotitas de agua que caen de una nube. Se empapa en el suelo, recargando el acuífero. En el fondo del acuífero se encuentra la unidad de confinamiento, que es impermeable al agua. Imagen de Tara Gross/USGS (dominio público).

Otro problema de recursos hídricos asociado con la minería de aguas subterráneas es la intrusión de agua salada, donde el sobrebombeo de acuíferos de agua dulce cerca de las costas oceánicas hace que el agua salada ingrese a zonas de agua dulce La caída del nivel freático alrededor de un cono de depresión en un acuífero puede cambiar la dirección del flujo regional de agua subterránea, lo que podría enviar contaminación cercana hacia el pozo de bombeo en lugar de alejarse de él. Finalmente, los problemas de hundimiento (hundimiento gradual de la superficie terrestre sobre una gran superficie) y sumideros (rápido hundimiento de la superficie terrestre sobre un área pequeña) pueden desarrollarse debido a una caída en el nivel freático. Debido a que los poros en el acuífero colapsan a medida que ocurre el hundimiento, esto reduce permanentemente la capacidad del acuífero para retener agua en el futuro.

El agua subterránea se repone a través de infiltración, filtración de aguas superficiales (lagos, ríos, embalses y pantanos), agua superficial bombeada deliberadamente al suelo, riego y sistemas subterráneos de tratamiento de aguas residuales (fosas sépticas). Las áreas de recarga son lugares donde el agua superficial se infiltra en el suelo en lugar de correr hacia los ríos o evaporarse (figura\(\PageIndex{k}\)). Las áreas de recarga son generalmente la ubicación topográficamente más alta de un acuífero. Se caracterizan por arroyos que se encuentran por debajo del nivel freático y sedimentos o rocas que permiten la infiltración en el subsuelo. Los humedales, por ejemplo, son excelentes áreas de recarga. Las áreas de recarga marcan el inicio de las vías de flujo de agua subterránea

La recarga se puede inducir a través de la práctica de manejo acuífero de almacenamiento y recuperación del acuífero. Los pozos de inyección permiten que los humanos aumenten la tasa de recarga en un sistema acuífero bombeando agua a un acuífero (figura\(\PageIndex{k}\)). Los pozos de inyección son regulados por los gobiernos estatales y federales para garantizar que el agua inyectada no impacte negativamente en la calidad o suministro de las aguas subterráneas existentes en el acuífero. Algunos acuíferos son capaces de almacenar cantidades significativas de agua, lo que permite a los administradores de agua utilizar el sistema acuífero como un reservorio superficial. El agua se almacena en el acuífero durante períodos de baja demanda de agua y alto suministro de agua y posteriormente se extrae en tiempos de alta demanda de agua y bajo suministro de agua.

Figura\(\PageIndex{k}\): El agua subterránea se puede reponer a través de áreas naturales de recarga así como pozos de inyección artificial. En este diagrama, la precipitación emerge de una nube de tormenta. Parte del agua se lava como escurrimiento, y algo de agua se infiltra a través de la arena (recarga natural de la precipitación). El agua llena la arena y grava en el acuífero (denominado reservorio de agua subterránea). Debajo del acuífero se encuentra el lecho rocoso, que es impermeable al agua. Otra fuente natural de recarga es de los arroyos. A través de un pozo de recarga artificial, el agua fluye desde una tubería a través de una válvula de control hacia una tubería de inyección. Esto también se suma al agua subterránea. Imagen por USGS (dominio público).

Atribuciones

• Ciclo del Agua y Abastecimiento de Agua Dulce, Problemas y Soluciones de Abastecimiento de Agua y Ciclos Biogeoquímicos de Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)
• El ciclo del agua, el uso y distribución del agua y el agua subterránea de una introducción a la geología por Chris Johnson et al. (licenciado bajo CC-BY-NC-SA)
• Ciclos biogeoquímicos y el flujo de energía en el sistema terrestre desde la sustentabilidad: una fundación integral por Tom Theis y Jonathan Tomkin, editores (licenciados bajo CC-BY). Descárgala gratis en CNX.
• Ciclos Biogeoquímicos de Biología 2e por OpenStax (CC-BY). Accede gratis en openstax.org.