9.2: Ocurrencia, disponibilidad y utilización del agua en la Tierra

Gran parte del agua de aproximadamente 1.4 mil millones de kilómetros cúbicos (1.4×109km3) de la Tierra que no está ligada químicamente circula a través del ciclo hidrológico representado en la ilustración de la hidrosfera mostrada en la Figura 8.1. Alrededor del 97.6% de esta agua es agua salada en los océanos. De los aproximadamente 33 millones de km ³ de agua restante, 86.9% está en forma sólida en capa de nieve, hielo y glaciares; 12.0% es agua accesible bajo tierra (agua subterránea), 0.37% está en lagos de agua dulce, embalses y estanques; 0.31% está en lagos salinos; 0.19% es humedad del suelo; 0.19% está en biosfera organismos; 0.039% está en la atmósfera como gotas de vapor y nubes; 0.011% está en humedales; y solo 0.0051% constituye el agua en todos los ríos, arroyos y canales de la Tierra. Por lo tanto, un porcentaje notablemente pequeño del agua de la Tierra está relativamente disponible para su uso, un factor importante en la sostenibilidad de esta parte crucial del capital natural de la Tierra.

El agua dulce superficial y el agua subterránea son las principales fuentes de uso humano. El agua de mar desalada es una fuente creciente de agua dulce en algunas zonas que no tienen acceso a este valioso recurso. La mayoría de las plantas desaladoras de agua de mar se encuentran en el Medio Oriente, una región árida con fuentes generalmente abundantes de energía que pueden ser utilizadas para la desalinización. La planta desaladora más grande del mundo es la unidad de destilación flash multietapa Jebel Ali en los Emiratos Árabes Unidos que puede producir 300 millones de metros cúbicos de agua potable al año. Existen importantes recursos de agua subterránea salobre (salina) en todo el mundo. En muchos casos esta agua tiene un menor contenido de sal que el agua de mar, lo que hace que sea más fácil y económico desalinizar.

Una preocupación importante con respecto a la disponibilidad del agua es su distribución desigual con respecto al tiempo y la ubicación. Algunas áreas experimentan tremendas lluvias e inundaciones durante las estaciones húmedas (monzónicas) con condiciones secas en el medio. Si bien estas fluctuaciones son predecibles y se puede hacer una compensación por ellas, mayores problemas ocurren con las sequías a largo plazo. Regiones de África se ven afectadas periódicamente por sequías que duran varios años, matando cultivos y animales e infligiendo grandes penurias a la gente de la región. La evidencia de los anillos de los árboles indica una sequía precolombina de casi tres siglos de duración en lo que ahora es el suroeste de Estados Unidos! La distribución geográfica desigual del agua ocurre en todo el mundo y se ilustra para los Estados Unidos continentales en la Figura 9.2. Se observa que la precipitación es generalmente adecuada en la parte oriental del país, aunque sí ocurren sequías dañinas en esta región. Sin embargo, el oeste continental de Estados Unidos tiene escasez de precipitaciones con condiciones de sequía esencialmente permanentes en algunas regiones como Nevada, Arizona y el sur de California. El problema se ve exacerbado por la popularidad de estas regiones como zonas en las que la gente quiere vivir y las demandas que ponen a los limitados recursos hídricos.

Figura 9.2. Distribución de la precipitación promedio anual en los Estados Unidos continentales, montos en centímetros por año.

Corrientes superficiales de agua

Una fuente importante de agua es el agua superficial que fluye en arroyos y ríos. Las áreas de tierra sobre las que cae la precipitación para proporcionar flujos de agua superficial se denomina cuenca hidrográfica. En lo que se refiere a la utilización del agua, las cuencas hidrográficas constituyen una de las conexiones más importantes entre la geosfera y la hidrosfera; la naturaleza de la cuenca determina en gran medida la cantidad y calidad del agua disponible para uso humano. Una buena cuenca retiene el agua durante un período de tiempo significativo, lo que reduce las inundaciones, permite un flujo constante de agua de escorrentía y maximiza la recarga de agua en los reservorios de agua subterránea (recarga acuíferos, Figura 9.3). Las medidas empleadas para mejorar la calidad de las cuencas hidrográficas incluyen la minimización del cultivo y la tala forestal, especialmente en tramos de cuencas con pendiente pronunciada, construcción de terrazas y vías fluviales sembradas a pasto en tierras cultivadas para minimizar la erosión y acumulación de sedimentos, construcción de pequeñas embalses en arroyos alimentadores de la cuenca, y por supuesto minimización de la contaminación como la de herbicidas.

Figura 9.3. Ilustración de las aguas subterráneas en acuíferos de la geosfera. El agua subterránea ingresa a los acuíferos desde las aguas superficiales en las zonas de recarga y se descarga a través de manantiales o se bombea

Un aspecto importante de los arroyos que afecta la utilización y calidad del agua es su capacidad para movilizar materiales sedimentarios a través de la erosión, transportar materiales junto con el flujo de corriente y depositarlos como sólidos. Normalmente es deseable que las corrientes utilizadas como fuente de agua tengan un material sedimentario mínimo, el cual tiene que ser eliminado durante el tratamiento del agua.

La mayoría de los ríos, que alguna vez fluyen libremente y sin obstáculos por la intervención humana, han sido modificados por humanos para generar energía, para el suministro de agua y reducir los efectos de las inundaciones. Comenzando con el embalse de agua del valle de Owens en el norte de California y extendiéndose hasta los ríos Feather, Sacramento y Colorado, la voraz sed de agua de Los Ángeles es servida por un vasto sistema de presas, canales y túneles. El desvío de agua del valle de Owens ha convertido una zona agrícola anteriormente productiva en una de uso agrícola limitado. Muchos de los efectos adversos del desvío de agua han sido el resultado de presas construidas para confinar ríos. Como resultado de la construcción de presas, muchos valles fluviales que alguna vez fueron hermosos se han cubierto de agua y se han perdido tierras de cultivo productivas en los valles fluviales. Por ejemplo, el hermoso Valle Hetch-Hetchy en el Parque Nacional Yosemite en California ha sido inundado desde principios del siglo XX por la construcción de una presa construida para proporcionar agua y energía hidroeléctrica a San Francisco. Ahora se están considerando serias propuestas para retirar la presa y restaurar el valle a su antigua belleza.

Cuerpos de Agua Permanentes

Gran parte del agua que usan los humanos proviene de cuerpos de agua estancos, incluidos lagos naturales y embalses construidos mediante la colocación de presas en ríos. Los humedales son cuerpos de agua lo suficientemente poco profundos como para apoyar el crecimiento de plantas de raíces inferiores. Los estuarios se forman donde el agua dulce de los ríos fluye hacia los océanos. Tienen propiedades físicas, químicas y biológicas únicas debido a la mezcla de agua dulce y agua salada. Los humedales y los estuarios son importantes criaderos para una serie de organismos y es crucial que se conserven. Muchas áreas de humedales han sido drenadas para tierras agrícolas y un esfuerzo importante en la conservación es su preservación y restauración.

Una característica importante de un lago o embalse que se desarrolla durante el verano como resultado del comportamiento de temperatura/densidad del agua es la estratificación, mostrada en relación con la química del agua en la Figura 9.4. Expuesta al oxígeno atmosférico y a la luz, la capa superior, el epilimnion, normalmente tiene una concentración significativa de oxígeno disuelto y es óxica. Algas fotosintéticas

Figura 9.4. La química del agua se ve afectada por la estratificación de un cuerpo de agua en el que una capa de agua más cálida y menos densa en el epilimnión reside por encima de una hipolimnión más fría y densa. Esta estratificación evita que el oxígeno penetre a profundidades más bajas donde predominan especies químicamente reducidas (CH _{4, NH 4} ⁺, H ₂ S). En el epilimnión óxico están presentes especies químicamente oxidadas (CO ₂, NO ₃ ^-, SO ₄ ^2-).

prosperar en el epilimnion y durante la luz del día producen O2 por fotosíntesis. Aislado del oxígeno atmosférico, el hipolimnión localizado en las regiones inferiores del cuerpo de agua se vuelve anóxica a medida que el O ₂ es consumido por las bacterias. En el epilimnion predominan especies químicamente oxidadas incluyendo CO ₂^{, NO ₃ - y SO ₄ 2-} y especies químicamente reducidas como CH _{4, NH 4} ⁺ y H ₂ S en el hipolimnión. Durante el otoño en climas templados, el enfriamiento del epilimnion provoca que se vuelva más denso y se hunda dando como resultado el vuelco del cuerpo de agua. Este fenómeno tiende a agitar el material sedimentario y liberar nutrientes del sedimento al agua.

Agua subterránea

La Figura 9.3 ilustra la vía de las aguas subterráneas hacia los acuíferos a partir de la precipitación que cae sobre una cuenca hidrográfica e infiltrándose en el acuífero a través de una La zona de saturación consiste en las capas geosféricas de roca y suelo en las que todos los poros están llenos de agua, cuya parte superior define el nivel freático. La fracción de la formación del acuífero que consiste en poros es la porosidad y la capacidad de la formación para permitir el movimiento del agua es su permeabilidad. Generalmente, la alta permeabilidad y la alta porosidad son propiedades deseables de las formaciones acuíferas que permiten extraer cantidades relativamente grandes de agua a través de pozos de agua perforados en los acuíferos. La calidad del agua subterránea se ve fuertemente afectada por su contacto con formaciones minerales en la geosfera. La infiltración a través de roca y arena purifica el agua filtrando microorganismos y sólidos en suspensión. El contacto con sólidos geosféricos determina en gran medida la composición química del agua al agregar niveles deseables de iones Ca ^{2 +} disueltos y alcalinidad y a veces solutos indeseables como el cloruro de sodio.

Pozos artesianos

Los acuíferos artesianos son aquellos confinados por arcilla densa o esquisto tal que el agua fluye naturalmente de un pozo artesiano perforado en ellos. El nombre proviene de la ciudad romana de Artesum en el sitio de la ciudad francesa de Artois conocida por el flujo de agua libre de pozos excavados en la Edad Media. Los pozos artesianos suelen ser fuentes de agua muy apreciadas. Algunas empresas embotelladoras modernas han arrendado o comprado sitios de pozos artesianos y anuncian su producto como agua artesiana, aunque no difiere en calidad del agua de pozo bombeado. Muchos pozos artesianos han perdido sus cualidades de flujo libre debido al agotamiento de su recurso hídrico.