13.1: Ciclo del agua y suministro de agua dulce

Introducción

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, aproximadamente una semana sin agua, y aproximadamente un mes sin comida. El agua también es esencial para nuestro suministro de oxígeno y alimentos. Las plantas, que requieren agua para sobrevivir, proporcionan oxígeno a través de la fotosíntesis y forman la base de nuestro suministro de alimentos. Las plantas crecen en el suelo, que se forma por reacciones de meteorización entre el agua y la roca.

El agua es el compuesto más esencial para la vida de la Tierra en general. Los bebés humanos tienen aproximadamente 75% de agua y los adultos son 60% de 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 2 cuartos de agua al día y las personas en climas cálidos del desierto deben beber hasta 10 cuartos de agua por día. La pérdida de 15% del agua corporal generalmente causa la muerte. La Tierra es verdaderamente el Planeta Agua. La abundancia de agua en la Tierra nos distingue de otros cuerpos del sistema solar. Alrededor del 70% de la superficie de la Tierra está cubierta por océanos y aproximadamente la mitad de la superficie de la Tierra está oscurecida por las nubes en cualquier momento. Hay un volumen muy grande de agua en nuestro planeta, alrededor de 1.4 mil millones de kilómetros cúbicos (km3) (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). Desde una perspectiva humana, el problema es que más del 97% de ella es agua de mar, que es demasiado salada para beber o usarla para riego. Las fuentes de agua más utilizadas son los ríos y lagos, ¡que contienen menos de 0.01% del agua del mundo!

Uno de nuestros objetivos ambientales más importantes es proporcionar un suministro de agua limpia, suficiente y sustentable para el mundo. Afortunadamente, el agua es un recurso renovable, y es difícil de destruir. La evaporación y la precipitación se combinan para reponer nuestro suministro de agua dulce de manera constante y rápida; sin embargo, la disponibilidad de agua se complica por su distribución desigual sobre la Tierra. El clima árido y las zonas densamente pobladas se han combinado en muchas partes del mundo para crear escasez de agua, que se proyecta que empeorará en los próximos años. Actividades humanas como el uso excesivo del agua y la contaminación del agua han agravado significativamente la crisis hídrica que existe hoy en día. Cientos de millones de personas carecen de acceso al agua potable y miles de millones de personas carecen de acceso a un saneamiento mejorado tan simple como una letrina de pozo. Como resultado, casi dos millones de personas mueren cada año por enfermedades diarreicas y el 90% de esas muertes ocurren entre niños menores de 5 años. La mayoría de estos son muertes fáciles de prevenir.

Embalses de Agua y Ciclo de Agua

El agua es la única sustancia que se presenta naturalmente en la tierra en tres formas: sólida, líquida y gaseosa. Se distribuye en diversas localidades, llamadas reservorios de agua. Los océanos son, con mucho, el más grande de los embalses con alrededor del 97% de toda el agua pero esa agua es demasiado salina para la mayoría de los usos humanos (Figura a continuación). Los casquetes de hielo y los glaciares son los mayores reservorios de agua dulce pero esta agua está ubicada de manera inconveniente, principalmente en la Antártida y Groenlandia. Las aguas subterráneas poco profundas son el mayor reservorio de agua dulce utilizable. Aunque los ríos y lagos son los recursos hídricos más utilizados, representan solo una pequeña cantidad del agua del mundo. 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 cucharadas.

Figura\(\PageIndex{1}\): Embalses de Agua de la Tierra. Gráfico de barras Distribución del agua de la Tierra incluyendo agua global total, agua dulce y agua superficial y otra agua dulce y gráfico circular Agua utilizable por humanos y fuentes de agua utilizable. Fuente: Encuesta geográfica de Estados Unidos El capítulo de Igor Skiklomanov “World fresh water resources” en Peter H. Gleick (editor), 1993, Water in Crisis: A Guide to the World's Fresh Water Resources

El ciclo del agua (o hidrológico) (que cubrimos en el capítulo “Ecosistemas y la biosfera”) muestra el movimiento del agua a través de diferentes embalses, que incluyen océanos, atmósfera, glaciares, aguas subterráneas, lagos, ríos y biosfera. La energía solar y la gravedad impulsan el movimiento del agua en el ciclo del agua. En pocas palabras, el ciclo del agua implica que el agua se mueve del océano a la atmósfera por evaporación, formando nubes. De las nubes, cae como precipitación (lluvia y nieve) tanto en el agua como en la tierra, donde puede moverse de diversas maneras. El agua terrestre puede regresar al océano por escorrentía superficial (desbordamiento no canalizado), ríos, glaciares y aguas subterráneas subsuperficiales, o regresar a la atmósfera por evaporación o transpiración (pérdida de agua por las plantas a la atmósfera).

Figura\(\PageIndex{2}\): 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. Fuente: Servicio Geológico de los Estados Unidos

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 del océano se llama agua salada porque es altamente salina, con alrededor de 35,000 mg de iones disueltos por litro de agua de mar. La evaporación (donde el agua cambia de líquido a gas a temperatura ambiente) es un proceso de destilación que produce agua casi pura casi sin iones disueltos. A medida que el agua se vaporiza, deja los iones disueltos en la fase líquida original. Eventualmente, la condensación (donde el agua cambia de gas a líquido) forma nubes y a veces precipitación (lluvia y nieve). Después de que el agua de lluvia cae sobre tierra, disuelve minerales, lo que aumenta su salinidad. La mayoría de los lagos, ríos y aguas subterráneas cercanas a la superficie tienen una salinidad relativamente baja y se llaman agua dulce. En las siguientes secciones se discuten partes importantes del ciclo del agua en relación con los recursos de agua dulce.

Recursos primarios de agua dulce: Precipitación

La precipitación es un importante control de la disponibilidad de agua dulce, y se distribuye de manera desigual en todo el mundo (ver Figura a continuación). Más precipitaciones caen cerca del ecuador, y las masas terrestres allí se caracterizan por un clima de selva tropical. Menos precipitación tiende a caer cerca de 2030 latitud norte y sur, donde se encuentran los desiertos más grandes del mundo. Estos patrones de lluvia y clima están relacionados con las células de circulación eólica global. 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 el 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. La precipitación global y los patrones climáticos también están seccionados por el tamaño de los continentes, las principales corrientes oceánicas y las montañas.

Figura\(\PageIndex{3}\): Mapa Mundial de Lluvias. El mapa de falso color anterior muestra la cantidad de lluvia que cae alrededor del mundo. Las áreas de alta precipitación incluyen América Central y del Sur, África occidental y el sudeste asiático. Dado que estas áreas reciben tanta lluvia, son donde crecen la mayoría de las selvas tropicales del mundo. Las zonas con muy poca lluvia suelen convertirse en desiertos. Las áreas desérticas incluyen el norte de África, el Medio Oriente, el oeste de América del Norte y Asia Central. Fuente: United States Geological Survey Earth Forum, Houston Museum Natural Science

Recursos Hídricos Superficiales: Ríos, Lagos, Glaciares

El agua que fluye de la lluvia y la nieve derretida en tierra ingresa a los canales de los ríos por escorrentía superficial (ver Figura Escurrimiento superficial (Figura abajo) y filtración de agua subterránea (ver Figura Filtración de aguas subterráneas (Figura abajo). La descarga del río describe el volumen de agua que se mueve a través del canal del río a lo largo del tiempo (Figura a continuación Las contribuciones relativas de la escorrentía superficial vs. la filtración de agua subterránea a la descarga del río dependen de los patrones de precipitación, vegetación, topografía, uso del suelo y características del suelo. Poco después de una fuerte tormenta, la descarga del río aumenta debido a la escorrentía superficial. El flujo normal constante del agua del río proviene principalmente del agua subterránea que se descarga en el río. La gravedad tira del agua del río cuesta abajo hacia el océano. En el camino, el agua en movimiento de un río puede erosionar las partículas del suelo y disolver minerales, creando la carga del río de granos de sedimentos móviles e iones disueltos. El agua subterránea también aporta una gran cantidad de los iones disueltos en el agua del río. El área geográfica drenada por un río y sus afluentes se llama cuenca de drenaje. La cuenca de drenaje del río Mississippi incluye aproximadamente el 40% de Estados Unidos, una medida que incluye las cuencas de drenaje más pequeñas (también llamadas cuencas hidrográficas), como el río Ohio y el río Missouri que ayudan a comprenderla. Los ríos son un importante recurso hídrico para el riego y muchas ciudades alrededor del mundo. Algunos de los ríos del mundo que han tenido disputas internacionales sobre el suministro de agua incluyen el Colorado (México, suroeste de Estados Unidos), el Nilo (Egipto, Etiopía, Sudán), Éufrates (Irak, Siria, Turquía), Ganges (Bangladesh, India) y Jordania (Israel, Jordania, Siria).

Figura\(\PageIndex{4}\): Escurrimiento superficial Escurrimiento superficial, parte del flujo terrestre en el ciclo del agua Fuente: James M. Pease en Wikimedia Commons

Figura\(\PageIndex{5}\): Filtración de aguas subterráneas. La filtración de agua subterránea se puede observar en Box Canyon en Idaho, donde aproximadamente 10 metros cúbicos por segundo de filtración emanan de su pared vertical. Fuente: NASA

Figura\(\PageIndex{6}\): Descarga del río Río Colorado, EE. Los ríos son parte del flujo terrestre en el ciclo del agua y un importante recurso hídrico superficial. Fuente: Gonzo fan2007 en Wikimedia Commons

Los lagos también pueden ser una excelente fuente de agua dulce para uso humano. Por lo general, reciben agua de escorrentía superficial y descarga de agua subterránea. Suelen ser efímeros en una escala de tiempo geológico porque constantemente se llenan con sedimentos suministrados por los ríos. Los lagos se forman de diversas maneras, incluyendo glaciación, reciente elevación tectónica (Lago Tanganyika, África) y erupciones volcánicas (Crater Lake, Oregón). La gente también crea lagos artificiales (embalses) represas de ríos. Los grandes cambios en el clima pueden resultar en cambios importantes en el tamaño de un lago. A medida que la Tierra salía de la última Edad de Hielo hace unos quince mil años, el clima en el oeste de Estados Unidos cambió de fresco y húmedo a cálido y árido, lo que provocó la desaparición de más de 100 grandes lagos. El Gran Lago Salado en Utah es un remanente de un lago mucho más grande llamado Lake Bonneville.

Si bien los glaciares representan el mayor reservorio de agua dulce, generalmente no se utilizan como fuente de agua porque se encuentran demasiado lejos de la mayoría de las personas (ver Figura a continuación). El derretimiento de los glaciares proporciona una fuente natural de agua de río y agua subterránea. Durante la última Edad de Hielo hubo hasta un 50% más de agua en los glaciares que en la actualidad, lo que provocó que el nivel del mar fuera unos 100 m más bajo. A lo largo del siglo pasado, el nivel del mar ha ido aumentando en parte debido al derretimiento de los glaciares. Si el clima de la Tierra continúa calentándose, el derretimiento de los glaciares provocará un aumento adicional en el nivel del mar.

Figura\(\PageIndex{7}\): 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

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. 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. El agua subterránea es el agua ubicada en espacios pequeños, llamados espacio poroso, entre granos minerales y fracturas en materiales terrestres subterráneos (roca o sedimento, es decir, granos sueltos). La mayor parte del agua subterránea se origina en la lluvia o el deshielo, que se infiltra en el suelo y se mueve hacia abajo hasta llegar a la zona saturada (donde el agua subterránea llena completamente los espacios de poro en los materiales

Otras fuentes de agua subterránea incluyen la filtración de aguas superficiales (lagos, ríos, embalses y pantanos), agua superficial bombeada deliberadamente al suelo, riego y sistemas subterráneos de tratamiento de aguas residuales, es decir, fosas sépticas. Las áreas de recarga son lugares donde el agua superficial se infiltra en el suelo en lugar de correr o en ríos o evaporarse. Los humedales y en las zonas vegetadas en general son excelentes áreas de recarga.

Un material de tierra que es capaz de abastecer agua subterránea desde un pozo a una tasa útil (tiene permeabilidad relativamente alta y porosidad media a alta) se llama acuífero. Para encontrar un acuífero grande para una ciudad, los hidrogeólogos (geólogos que se especializan en aguas subterráneas) utilizan una variedad de información que incluye conocimiento de materiales terrestres en la superficie y subsuperficie, así como pozos de prueba. Las aguas subterráneas y superficiales (ríos, lagos, pantanos y embalses) están fuertemente interrelacionadas porque ambas forman parte del mismo recurso general.

El uso del agua en Estados Unidos y el mundo

La gente necesita agua para producir los alimentos, la energía y los recursos minerales que utilizan, comúnmente grandes cantidades de ella. Consideremos, por ejemplo, estos requerimientos aproximados de agua para algunas cosas que la gente en el mundo desarrollado usa todos los días: un tomate = 3 galones; un kilovatio-hora de electricidad (de una central termoeléctrica) = 21 galones; una barra de pan = 150 galones; una libra de carne de res = 1,600 galones; y una tonelada de acero = 63,000 galones. Los seres humanos requieren solo alrededor de 1 galón por día para sobrevivir, pero una persona típica en un hogar estadounidense usa aproximadamente 100 galones por día, lo que incluye cocinar, lavar platos y ropa, descargar el inodoro y bañarse.

La demanda de agua de una zona es función de la población y otros usos del agua. Hay varias categorías generales de uso del agua, incluido el uso fuera de la corriente, que elimina el agua de su fuente, por ejemplo, riego, generación de energía termoeléctrica (enfriamiento de equipos de producción de electricidad en centrales de combustibles fósiles, nucleares y geotérmicas), industria y suministro público ; uso consumptivo, que es un tipo de uso fuera de la corriente donde el agua no regresa al sistema de aguas superficiales o subterráneas inmediatamente después de su uso, por ejemplo, agua de riego que se evapora o va al crecimiento de las plantas; y el uso instream, que es agua utilizada pero no eliminada de un río, principalmente para energía hidroeléctrica generación. El tamaño relativo de estas tres categorías es uso instream uso offstream > uso consumptive. En 2005, Estados Unidos utilizó aproximadamente 3,300 mil millones de galones por día para uso instream, 410 mil millones de galones por día para uso fuera de la corriente y 100 mil millones de galones por día para uso consumido. Los principales usos de esa agua fueron termoeléctrica (49%), riego (31%), suministro público (11%) e industria. Alrededor del 15% de los retiros totales de agua en Estados Unidos en 2005 fueron agua salina, que se utilizó casi en su totalidad para la generación de energía termoeléctrica. Casi toda el agua utilizada para la generación de energía termoeléctrica se devuelve al río, lago u océano de donde vino, pero aproximadamente la mitad del agua de riego no regresa a la fuente original debido a la evaporación, transpiración de la planta y pérdida durante el transporte, por ejemplo, fugas de tuberías. Los retiros totales de agua en Estados Unidos en realidad disminuyeron ligeramente de 1980 a 2005, a pesar de una población en constante aumento.Esto se debe a que las dos categorías más grandes de uso de agua (termoeléctrica y riego) se estabilizaron o disminuyeron durante ese período de tiempo debido a un mejor manejo y conservación del agua. En contraste, la demanda de abastecimiento público de agua aumentó de manera constante desde 1950 (cuando comenzaron las estimaciones) hasta 2005. Aproximadamente 77% del agua para uso fuera de la corriente en Estados Unidos en 2005 provino de agua superficial y el resto fue de agua subterránea.

Figura\(\PageIndex{8}\): Tendencias en las retiradas totales de agua por categoría de uso de agua, 1950-2005 Tendencias en las retiradas totales de agua en Estados Unidos de 1950 a 2005 por categoría de uso de agua, incluyendo barras para energía termoeléctrica, riego, suministro público de agua y rural doméstico y ganadero. La delgada línea azul representa las retiradas totales de agua usando una escala vertical a la derecha. Fuente: Servicio Geológico de los Estados Unidos

Figura\(\PageIndex{9}\): Tendencias en fuentes de extracción de agua dulce en Estados Unidos de 1950 a 2005 Tendencias en fuentes de extracción de agua dulce en Estados Unidos de 1950 a 2005, incluyendo barras para agua superficial, agua subterránea y agua total. La línea roja da población estadounidense usando escala vertical a la derecha. Fuente: Servicio Geológico de los Estados Unidos

En contraste con las tendencias en Estados Unidos, el uso global total del agua está aumentando constantemente a un ritmo mayor que el crecimiento de la población mundial (ver Figura a continuación). Durante el siglo XX la población mundial se triplicó y la demanda de agua creció en un factor de seis. El incremento de la demanda global de agua más allá de la tasa de crecimiento demográfico se debe a la mejora del nivel de vida sin un oset por conservación del agua. El aumento de la producción de bienes y energía conlleva un gran incremento en la demanda de agua. Los principales usos mundiales del agua corriente son el riego (68%), el abastecimiento público (21%) y la industria (11%).

Figura\(\PageIndex{10}\): Tendencias en el Uso Mundial del Agua de 1900 a 2000 y Proyectadas a 2025 Para cada categoría de uso principal del agua, incluyendo tendencias para la agricultura, el uso doméstico y la industria. La barra de color más oscuro representa el agua total extraída para esa categoría de uso y la barra de color más claro representa el agua consumida (es decir, agua que no se devuelve rápidamente al sistema de aguas superficiales o subterráneas) para esa categoría de uso. Fuente: Igor A. Shiklomanow, Instituto Hidrológico Estatal (SHI, San Petersburgo) y Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO, París), 1999

Colaboradores y Atribuciones

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